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五、垃圾收集（GC）算法
最近在學習 JVM 的知識，作爲一個 Java 開發人員不懂 JVM 實在是不應該，畢竟底層基礎決定上層建築，而作爲 JVM 裏面的重點之一必然是垃圾收集（GC）了，那今天就帶大家一起來了解下這是辣雞，竟然如此的出名。（這篇也還是放在《算法撕裂者》系列吧，畢竟帶"算法"兩字，就水一波吧）
0、java對象內存申請過程
- JVM會試圖爲相關Java對象在Eden中初始化一塊內存區域；當Eden空間足夠時，內存申請結束。否則到下一步；
- JVM試圖釋放在Eden中所有不活躍的對象（minor collection），釋放後若Eden空間仍然不足以放入新對象，則試圖將部分Eden中活躍對象放入Survivor區；
- Survivor區被用來作爲Eden及old的中間交換區域，當old區空間足夠時，Survivor區的對象會被移到Old區，否則會被保留在Survivor區；
- 當old區空間不夠時，JVM會在old區進行major collection；
- 垃圾收集後，若Survivor及old區仍然無法存放從Eden複製過來的部分對象，導致JVM無法在Eden區爲新對象創建內存區域，則出現"Out of memory錯誤"；
1、stop the world
在新生代進行的GC叫做minor GC，在老年代進行的GC都叫major GC，Full GC同時作用於新生代和老年代。在垃圾回收過程中經常涉及到對對象的挪動（比如上文提到的對象在Survivor 0和Survivor 1之間的複製），進而導致需要對對象引用進行更新。爲了保證引用更新的正確性，Java將暫停所有其他的線程，這種情況被稱爲“Stop-The-World”，導致系統全局停頓。Stop-The-World對系統性能存在影響，因此垃圾回收的一個原則是儘量減少“Stop-The-World”的時間。
不同垃圾收集器的Stop-The-World情況，Serial、Parallel和CMS收集器均存在不同程度的Stop-The-Word情況；而即便是最新的G1收集器也不例外。
- Java 中一種全局暫停的現象，JVM掛起狀態
- 全局停頓，所有Java代碼停止，native代碼可以執行，但不能與JVM交互
- 多半由於JVM的GC引用，如：
- 老年代空間不足
- 永生代（jkd7）或者元數據空間（jkd8）不足。
- System.gc()方法調用。
- CMS GC時出現promotion failed和concurrent mode failure
- YoungGC時晉升老年代的內存平均值大於老年代剩餘空間
- 有連續的大對象需要分配
- 除了GC還有以下原因：
- 死鎖檢查
- Dump線程–人爲因素
- 堆Dump–人爲因素
關於stop the world 可查看： https://www.jianshu.com/p/d686e108d15f
2、如何判斷對象是否“死去”？
在堆裏面存放着Java中幾乎所有的對象實例，垃圾收集器在對堆進行回收之前，第一件事情就是要確定哪些對象還存活着，哪些對象已經死去（即不可能在被任何途徑使用的對象）。
- 引用計數算法
- 可達性分析算法
a、引用計數算法
引用計數法顧名思義，就是對一個對象被引用的次數進行計數，當增加一個引用計數就加1，減少一個引用計數就減1。
圖片來自 https://www.cnblogs.com/leefreeman/p/7389919.html
上圖表示3個Teacher的引用指向堆中的Teacher對象，那麼Teacher對象的引用計數就是3，以此類推Student對象的引用計數就是2。
上圖表示Teacher對象的引用減少爲2，Student對象的引用減少爲0（減少的原因是該引用指向了null，例如teacher3=null）,按照引用計數算法，Student對象的內存空間將被回收掉。
引用計數算法原理非常簡單，是最原始的回收算法，但是java中沒有使用這種算法，原因有2:
-
頻繁的計數影響性能，
-
它無法處理【循環引用】的問題。
例如Teacher對象中引用了Student對象，Student對象中又引用了Teacher對象，這種情況下，對象將永遠無法被回收。
b、可達性分析算法
這個算法的基本思想就是，通過一系列稱爲 “GC Roots” 的對象作爲起始點，從這些節點開始向下搜索，搜索所走過的路徑稱爲【引用鏈】（Reference Chain），當一個對象到 GC Roots 沒有任何引用鏈相連（用圖論的話來說，就是從 GC Roots 到這個對象不可達）時，則證明此對象時不可用的。
在 Java 語言中，可作爲 GC Roots 的對象包括一下幾種：
- 虛擬機棧（棧幀中的本地變量表）中引用的對象
- 方法區中靜態屬性引用的對象
- 方法區中常量引用的對象
- 本地方法棧中 JNI （即一般說是 Native 方法）引用的對象
c、再談引用
在 JDK 1.2 之後，Java 對引用的概念進行了擴充，將引用分爲
- 強引用（Strong Reference）
- 軟引用（Soft Reference）
- 弱引用（Weak Reference）
- 虛引用（Phantom Reference）
-
強引用
代碼中普遍存在的，類似 “ Object obj = new Object() ” 這類的引用，只要強引用還存在，垃圾收集器永遠不會回收掉被引用的對象。
-
軟引用
用來描述一些還有用但非必須的對象。軟引用所關聯的對象，在系統將要發生內存溢出異常之前，將會把這些對象列入回收範圍，並進行二次回收。如果這次回收還沒有足夠的內存，纔會拋出內存溢出異常。提供了
SoftReference類實現軟引用。 -
弱引用
描述非必須的對象。強度比軟引用更弱一些，被弱引用關聯的對象，只能**生存到下一次垃圾收集發生之前。**當垃圾收集器工作時，無論當前內存是否足夠，都會回收掉只被弱引用關聯的對象。提供了
WeakReference類實現弱引用。 -
虛引用
一個對象是否有虛引用，完全不會對其生存時間構成影響，也無法通過一個虛引用來取得一個對象實例。爲一個對象設置虛引用關聯的唯一目的，就是能在這個對象被收集器回收時收到一個系統通知。通過了
PhantomReference類實現虛引用。
3、標記-清除算法（Mark-Sweep）
什麼是標記-清除算法
分爲【標記】和【清除】兩個階段。首先標記處所有需要回收的對象，在標記完成後統一回收被標記的對象。
有什麼缺點？
- 效率問題：標記和清除的效率都不高
- 空間問題：標記清除後會產生大量**【不連續的內存碎片】，空間碎片太多可能導致，程序分配較大對象**時無法找到足夠的連續內存，不得不提前出發另一次垃圾收集動作。
4、複製算法（Copying）- 新生代
將可用內存按容量劃分爲【大小相等的兩塊】，每次只使用其中一塊。當這一塊的內存用完了，就將存活着的對象複製到另一塊上面，然後再把已經使用過的內存空間一次清理掉。
優點？
複製算法使得每次都是針對其中的一塊進行內存回收，內存分配時也不用考慮內存碎片等複雜情況，只要移動堆頂指針，按順序分配內存即可，實現簡單，運行高效。
缺點？
將內存縮小爲原來的一半。在對象存活率較高時，需要執行較多的【複製操作】，效率會變低。
應用？
商業的虛擬機都採用複製算法來回收新生代。因爲新生代中的對象容易死亡，所以並不需要按照1:1的比例劃分內存空間，而是將內存分爲一塊較大的 Eden 空間和兩塊較小的 Survivor 空間。每次使用 Eden 和其中的一塊 Survivor。
當回收時，將 Eden 和 Survivor 中還存活的對象一次性拷貝到另外一塊 Survivor 空間上，最後清理掉 Eden 和剛纔用過的 Survivor 空間。**Hotspot 虛擬機默認 Eden 和 Survivor 的大小比例是8:1，**也就是每次新生代中可用內存空間爲整個新生代容量的90%（80% + 10%），只有10%的內存是會被“浪費”的。
5、標記-整理算法（Mark-Compact）- 老年代
標記過程仍然與“標記-清除”算法一樣，但不是直接對可回收對象進行清理，而是讓所有存活的對象向一端移動，然後直接清理掉邊界以外的內存。
優點？
經過整理（壓縮），即再次掃描，並往一端**【滑動】**存活對象，沒有內存碎片
缺點？
需要移動對象的成本
6、分代收集算法
根據對象的存活週期，將內存分爲幾塊。一般是把【Java堆】分爲【新生代】和【老年代】， 這樣就可以根據各個年代的特點，採用最適當的收集算法。
- 新生代：每次垃圾收集時會有大批對象死去，只有少量存活，所以選擇【複製算法】，只需要少量存活對象的複製成本就可以完成收集。
- 老年代：對象存活率較高，沒有額外空間對它進行分配擔保，必須使用【標記-清除】或【標記-整理】算法進行收集。
參考資料：
《深入理解Java虛擬機（第2版）》 周志明