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五、垃圾收集（GC）算法
最近在学习 JVM 的知识，作为一个 Java 开发人员不懂 JVM 实在是不应该，毕竟底层基础决定上层建筑，而作为 JVM 里面的重点之一必然是垃圾收集（GC）了，那今天就带大家一起来了解下这是辣鸡，竟然如此的出名。（这篇也还是放在《算法撕裂者》系列吧，毕竟带"算法"两字，就水一波吧）
0、java对象内存申请过程
- JVM会试图为相关Java对象在Eden中初始化一块内存区域；当Eden空间足够时，内存申请结束。否则到下一步；
- JVM试图释放在Eden中所有不活跃的对象（minor collection），释放后若Eden空间仍然不足以放入新对象，则试图将部分Eden中活跃对象放入Survivor区；
- Survivor区被用来作为Eden及old的中间交换区域，当old区空间足够时，Survivor区的对象会被移到Old区，否则会被保留在Survivor区；
- 当old区空间不够时，JVM会在old区进行major collection；
- 垃圾收集后，若Survivor及old区仍然无法存放从Eden复制过来的部分对象，导致JVM无法在Eden区为新对象创建内存区域，则出现"Out of memory错误"；
1、stop the world
在新生代进行的GC叫做minor GC，在老年代进行的GC都叫major GC，Full GC同时作用于新生代和老年代。在垃圾回收过程中经常涉及到对对象的挪动（比如上文提到的对象在Survivor 0和Survivor 1之间的复制），进而导致需要对对象引用进行更新。为了保证引用更新的正确性，Java将暂停所有其他的线程，这种情况被称为“Stop-The-World”，导致系统全局停顿。Stop-The-World对系统性能存在影响，因此垃圾回收的一个原则是尽量减少“Stop-The-World”的时间。
不同垃圾收集器的Stop-The-World情况，Serial、Parallel和CMS收集器均存在不同程度的Stop-The-Word情况；而即便是最新的G1收集器也不例外。
- Java 中一种全局暂停的现象，JVM挂起状态
- 全局停顿，所有Java代码停止，native代码可以执行，但不能与JVM交互
- 多半由于JVM的GC引用，如：
- 老年代空间不足
- 永生代（jkd7）或者元数据空间（jkd8）不足。
- System.gc()方法调用。
- CMS GC时出现promotion failed和concurrent mode failure
- YoungGC时晋升老年代的内存平均值大于老年代剩余空间
- 有连续的大对象需要分配
- 除了GC还有以下原因：
- 死锁检查
- Dump线程–人为因素
- 堆Dump–人为因素
关于stop the world 可查看： https://www.jianshu.com/p/d686e108d15f
2、如何判断对象是否“死去”？
在堆里面存放着Java中几乎所有的对象实例，垃圾收集器在对堆进行回收之前，第一件事情就是要确定哪些对象还存活着，哪些对象已经死去（即不可能在被任何途径使用的对象）。
- 引用计数算法
- 可达性分析算法
a、引用计数算法
引用计数法顾名思义，就是对一个对象被引用的次数进行计数，当增加一个引用计数就加1，减少一个引用计数就减1。
图片来自 https://www.cnblogs.com/leefreeman/p/7389919.html
上图表示3个Teacher的引用指向堆中的Teacher对象，那么Teacher对象的引用计数就是3，以此类推Student对象的引用计数就是2。
上图表示Teacher对象的引用减少为2，Student对象的引用减少为0（减少的原因是该引用指向了null，例如teacher3=null）,按照引用计数算法，Student对象的内存空间将被回收掉。
引用计数算法原理非常简单，是最原始的回收算法，但是java中没有使用这种算法，原因有2:
-
频繁的计数影响性能，
-
它无法处理【循环引用】的问题。
例如Teacher对象中引用了Student对象，Student对象中又引用了Teacher对象，这种情况下，对象将永远无法被回收。
b、可达性分析算法
这个算法的基本思想就是，通过一系列称为 “GC Roots” 的对象作为起始点，从这些节点开始向下搜索，搜索所走过的路径称为【引用链】（Reference Chain），当一个对象到 GC Roots 没有任何引用链相连（用图论的话来说，就是从 GC Roots 到这个对象不可达）时，则证明此对象时不可用的。
在 Java 语言中，可作为 GC Roots 的对象包括一下几种：
- 虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象
- 方法区中静态属性引用的对象
- 方法区中常量引用的对象
- 本地方法栈中 JNI （即一般说是 Native 方法）引用的对象
c、再谈引用
在 JDK 1.2 之后，Java 对引用的概念进行了扩充，将引用分为
- 强引用（Strong Reference）
- 软引用（Soft Reference）
- 弱引用（Weak Reference）
- 虚引用（Phantom Reference）
-
强引用
代码中普遍存在的，类似 “ Object obj = new Object() ” 这类的引用，只要强引用还存在，垃圾收集器永远不会回收掉被引用的对象。
-
软引用
用来描述一些还有用但非必须的对象。软引用所关联的对象，在系统将要发生内存溢出异常之前，将会把这些对象列入回收范围，并进行二次回收。如果这次回收还没有足够的内存，才会抛出内存溢出异常。提供了
SoftReference类实现软引用。 -
弱引用
描述非必须的对象。强度比软引用更弱一些，被弱引用关联的对象，只能**生存到下一次垃圾收集发生之前。**当垃圾收集器工作时，无论当前内存是否足够，都会回收掉只被弱引用关联的对象。提供了
WeakReference类实现弱引用。 -
虚引用
一个对象是否有虚引用，完全不会对其生存时间构成影响，也无法通过一个虚引用来取得一个对象实例。为一个对象设置虚引用关联的唯一目的，就是能在这个对象被收集器回收时收到一个系统通知。通过了
PhantomReference类实现虚引用。
3、标记-清除算法（Mark-Sweep）
什么是标记-清除算法
分为【标记】和【清除】两个阶段。首先标记处所有需要回收的对象，在标记完成后统一回收被标记的对象。
有什么缺点？
- 效率问题：标记和清除的效率都不高
- 空间问题：标记清除后会产生大量**【不连续的内存碎片】，空间碎片太多可能导致，程序分配较大对象**时无法找到足够的连续内存，不得不提前出发另一次垃圾收集动作。
4、复制算法（Copying）- 新生代
将可用内存按容量划分为【大小相等的两块】，每次只使用其中一块。当这一块的内存用完了，就将存活着的对象复制到另一块上面，然后再把已经使用过的内存空间一次清理掉。
优点？
复制算法使得每次都是针对其中的一块进行内存回收，内存分配时也不用考虑内存碎片等复杂情况，只要移动堆顶指针，按顺序分配内存即可，实现简单，运行高效。
缺点？
将内存缩小为原来的一半。在对象存活率较高时，需要执行较多的【复制操作】，效率会变低。
应用？
商业的虚拟机都采用复制算法来回收新生代。因为新生代中的对象容易死亡，所以并不需要按照1:1的比例划分内存空间，而是将内存分为一块较大的 Eden 空间和两块较小的 Survivor 空间。每次使用 Eden 和其中的一块 Survivor。
当回收时，将 Eden 和 Survivor 中还存活的对象一次性拷贝到另外一块 Survivor 空间上，最后清理掉 Eden 和刚才用过的 Survivor 空间。**Hotspot 虚拟机默认 Eden 和 Survivor 的大小比例是8:1，**也就是每次新生代中可用内存空间为整个新生代容量的90%（80% + 10%），只有10%的内存是会被“浪费”的。
5、标记-整理算法（Mark-Compact）- 老年代
标记过程仍然与“标记-清除”算法一样，但不是直接对可回收对象进行清理，而是让所有存活的对象向一端移动，然后直接清理掉边界以外的内存。
优点？
经过整理（压缩），即再次扫描，并往一端**【滑动】**存活对象，没有内存碎片
缺点？
需要移动对象的成本
6、分代收集算法
根据对象的存活周期，将内存分为几块。一般是把【Java堆】分为【新生代】和【老年代】， 这样就可以根据各个年代的特点，采用最适当的收集算法。
- 新生代：每次垃圾收集时会有大批对象死去，只有少量存活，所以选择【复制算法】，只需要少量存活对象的复制成本就可以完成收集。
- 老年代：对象存活率较高，没有额外空间对它进行分配担保，必须使用【标记-清除】或【标记-整理】算法进行收集。
参考资料：
《深入理解Java虚拟机（第2版）》 周志明