垃圾收集器与内存分配策略(一)
Java与C++之间有一堵由内存动态分配和垃圾收集技术所围成的“高墙”，墙外面的人想进去，墙里面的人想出来。
概述
经过半个多世纪的发展，目前内存的动态分配与内存回收技术已经相当成熟，一切看起来已经都进入了“自动化”的时代，那为什么我们还需要去了解GC和内存分配呢？答案很简单：当需要排查各种内存溢出、内存泄漏的问题时，当垃圾收集称为系统达到更高并发量的瓶颈时，我们就需要对“自动化”的技术实施必要的监控和调节。
对象是否存活
在堆里面存放着Java中几乎所有的对象实例，垃圾收集器在堆中进行回收对象时需要对对象是否存活（对象是否继续被引用）进行判断。判断对象是否存活的算法有2种。
引用计数算法
引用计数算法的实现：给对象添加一个引用计数器，每当有一个地方引用该对象时，那么计数器值就+1；当引用失效时，那么计数器就-1；任何时刻计数器为0的对象就是不可能再被使用的。
但是这种算法存在一定的缺陷以至于目前主流的Java虚拟机里面没有选用该算法来管理内存，其中最主要的缺陷是它很难解决对象之间相互循环引用的问题。
下面的代码用来验证Java虚拟机管理内存的算法不是引用计数算法。
/**
* Created by lany on 2019/2/24.
*/
public class ReferenceCountingGC {
public Object instance = null;
private static final int _1MB = 1024*1024;
/**
* 这个成员的属性就是为了占用内存。
*/
private byte[] bigSize = new byte[2 * _1MB];
public static void testGC(){
ReferenceCountingGC gc_1 = new ReferenceCountingGC();
ReferenceCountingGC gc_2 = new ReferenceCountingGC();
gc_1.instance = gc_2;
gc_2.instance = gc_1;
gc_1 = null;
gc_2 = null;
//假使在这行发生GC，gc_1和gc_2是否能被回收?
System.gc();
}
public static void main(String[] args){
testGC();
}
}
从运行结果中可以看出，GC日志中包含“8028K->560K”,那么意味着虚拟机并不因为这两个对象是循环引用就不回收它们，这也从侧面说明虚拟机中并不是通过引用计数器算法来判断对象是否存活的。
[GC (System.gc()) [PSYoungGen: 8028K->560K(76288K)] 8028K->568K(251392K), 0.0030568 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.00 secs]
[Full GC (System.gc()) [PSYoungGen: 560K->0K(76288K)] [ParOldGen: 8K->400K(175104K)] 568K->400K(251392K), [Metaspace: 3088K->3088K(1056768K)], 0.0074391 secs] [Times: user=0.02 sys=0.01, real=0.01 secs]
Heap
PSYoungGen total 76288K, used 1966K [0x000000076ab00000, 0x0000000770000000, 0x00000007c0000000)
eden space 65536K, 3% used [0x000000076ab00000,0x000000076aceb9e0,0x000000076eb00000)
from space 10752K, 0% used [0x000000076eb00000,0x000000076eb00000,0x000000076f580000)
to space 10752K, 0% used [0x000000076f580000,0x000000076f580000,0x0000000770000000)
ParOldGen total 175104K, used 400K [0x00000006c0000000, 0x00000006cab00000, 0x000000076ab00000)
object space 175104K, 0% used [0x00000006c0000000,0x00000006c0064088,0x00000006cab00000)
Metaspace used 3100K, capacity 4494K, committed 4864K, reserved 1056768K
class space used 338K, capacity 386K, committed 512K, reserved 1048576K
可达性分析算法
在主流的商用程序语言（Java、C#，甚至包括古老的Lisp）的主流实现中，都是通过可达性分析（Reachability Analysis）来判断对象是否存活的。这个算法的基本思路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时，则证明此对象是不可用的。
如下图所示，对象object5,object6,object7虽然互相有关联，但是它们到GC Roots是不可达的，所以它们将会被判定为是可回收对象。
在Java语言中，可作为GC Roots的对象包括下面几种：
- 虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象
- 方法区中类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（即一般说的Native方法）引用的对象
关于引用
无论是通过引用计数算法判断对象引用数量，还是通过可达性分析算法判断对象的引用链是否可达，判定对象是否存活都与引用有关。在jdk1.2之后，Java对引用的概念进行了扩充，将引用分为强引用，软引用，弱引用以及虚引用4种，这4种引用强度依次减弱。
强引用：类似Object obj = new Object()这类的引用，只要强引用还存在，那么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需的对象。对于软引用关联的对象，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之中进行第二次回收。如果这次回收没有足够的内存，才会抛出内存溢出异常。通过SoftReferecne类来实现。弱引用：同样是用来描述非必需对象，但是它的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。通过WeakReferecne类来实现。虚引用：也称为幽灵引用或者幻影引用，它是最弱的一种引用关系。一个对象是否有虚引用的存在，完全不会对其生存时间构成影响，也无法通过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PhantomReferecne类来实现。
对象回收过程
即使在可达性分析算法中不可达的对象，也并非是“非死不可”的，这时候它们暂时处于“缓刑阶段”，要真正宣告一个对象死亡，至少要经历两次标记过程：如果对象在进行可达性分析后发现没有与GC Roots相连接的引用链，那它将会被第一次标记并且进行一次筛选，筛选的条件是hi该对象是否有必要执行finalize()方法。当对象没有复写finalize()方法，或者该对象已经被虚拟机调用过finalize()方法，那么虚拟机将这两种情况都视为“没有必要执行”。
如果这个对象被判定为有必要执行finalize()方法，那么这个对象将会被放置在一个F-Queue的队列之中，并在稍后由一个虚拟机自动建立的、低优先级的Finalizer线程执行它。
这里所谓的“执行”是指触发这个方法，但并不承诺会等待它运行结束。这样做的原因是，如果一个对象在finalize()方法中执行缓慢，或者发生了死循环，将很可能会导致F-Queue队列中其他的对象永久处于等待状态，甚至导致整个内存回收系统崩溃。finalize()方法是对象逃脱死亡命运的最后一次机会，稍后GC将对F-Queue进行第二次小规模的标记，如果对象要在finalize()方法中成功拯救自己–只要重新与引用链上的任何一个对象建立关联即可，譬如把自己(this关键字)赋值给某个类变量或者对象成员变量，那么第二次标记的时候它将被移除“即将回收”集合中；如果对象这时候还没有逃脱，那基本上它就真的被回收了。
下面的代码演示了对象的一次自我拯救：
/**
* 有两点需要演示：
* 1. 对象可以在被GC时自我拯救
* 2. 这种自救的机会只有一次，因为一个对象的finalize()方法最多只会被系统调用一次
* Created by lany on 2019/2/24.
*/
public class FinalizeEscapeGC {
public static FinalizeEscapeGC SAVE_HOOK = null;
public void isAlive(){
System.out.println("yes, i am still alive");
}
@Override
protected void finalize() throws Throwable {
super.finalize();
System.out.println("finalize method executed!");
FinalizeEscapeGC.SAVE_HOOK = this;
}
public static void main(String[] args){
SAVE_HOOK = new FinalizeEscapeGC();
//对象的第一次自救
SAVE_HOOK = null;
System.gc();
try {
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
if(SAVE_HOOK != null){
SAVE_HOOK.isAlive();
}else{
System.out.println("no, i am dead!");
}
//代码与上面的完全相同，但是却自救失败
SAVE_HOOK = null;
System.gc();
try {
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
if(SAVE_HOOK != null){
SAVE_HOOK.isAlive();
}else{
System.out.println("no, i am dead!");
}
}
}
运行结果:
finalize method executed!
yes, i am still alive
no, i am dead!
从运行结果中我们可以看出，SAVE_HOOK对象的finalize()方法确实被GC收集器处罚过，并且在被收集之前成功逃脱了。 另外值得注意的是，代码中有两段完全一样的地方，但是结果却是一次成功，一次失败，这是因为一个对象的finalize()方法只会被系统自动调用一次，如果对象面临下一次回收，它的finalize()方法不会再次被执行，因此第二段代码执行失败。
方法区的回收
很多人认为方法区（或者HotSpot虚拟机中的永久代）是没有垃圾收集的，Java虚拟机规范中确实说过可以不要求虚拟机在方法区实现垃圾收集，而且在方法区中进行垃圾收集的“性价比”一般比较低：在堆中，尤其是在新生代中，常规应用进行一次垃圾收集一般可以回收70%～90%的空间，而永久代的垃圾收集效率远低于此。
永久代的垃圾收集主要是回收两部分内容：废弃的常量和无用的类。回收废弃常量与回收Java堆中的对象非常类似。以常量池中字面量的回收为例，例如一个字符串“abc”已经进入了常量池中，但是当前系统没有任何一个String对象是叫做“abc”的，换句话说就是没有任何String对象引用常量池中的”abc”，也没有其他地方引用了这个字面量，如果这是发生内存回收，而且必要的话，这个“abc”常量就会被系统清理出常量池。常量池中的其他类（接口）、方法、字段的符号引用也于此类似。
判定一个常量是否是“废弃常量”比较简单，而要判断一个类是否是“无用的类”的条件则相对苛刻许多。类需要同时满足下面3个条件才能算是“无用的类”：
- 该类所有实例都已经被回收，也就是java堆中不存在该类的任何实例。
- 加载该类的ClassLoader已经被回收。
- 该类对应的
java.lang.Class对象没有在任何地方被引用，无法在任何地方通过反射访问该类的方法。
虚拟机可以对满足上述3个条件的无用类进行回收，这里说的仅仅是“可以”，而并不是和对象一样，不使用了就必然会回收。是否对类进行回收，HotSpot虚拟机提供了-Xnoclassgc参数进行控制，还可以使用-verbose:class以及-XX:+TraceClassLoading、-XX:+TraceClassUnLoading查看类加载信息和卸载信息，其中-verbose:class和-XX:+TraceClassLoading可以在Product版的虚拟机中使用，-XX:+TraceClassUnLoading参数需要FastDebug版的虚拟机支持。
在大量使用发射、动态代理、CGLib等ByteCode框架、动态生成JSP以及OSGi这类频繁自定义ClassLoader的场景都需要虚拟机中具备类卸载的功能，以保证永久代不会溢出。