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判断对象的死亡

1. 引用

引用分类

强引用

类似“Object obj = new Object()”，只要强引用存在，垃圾回收器永远不会回收被引用的对象

软引用

SoftReference类，在系统将要发生内存溢出异常之前，会把这些对象列入回收范围之中进行第二次回收

弱引用

WeakReference类，只被弱引用关联的对象只能生存到下一次垃圾收集之前

虚引用

PhantomReference类，幽灵引用或幻影引用，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

2. 判断对象是否存活

引用计数法

给对象添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它，计数器加1；当引用失效时，计数器减1；任何时刻计数器为0的对象就是不可能再被使用的。

但如果两个对象互相引用，就无法通知GC收集器回收它们；虚拟机并不使用这种方法

可达性分析算法

通过“GC Roots”的对象作为起始点，向下搜索，当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连时，证明对象不可用

可作为GC Roots的对象

• 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变量
• 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

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垃圾回收

1. 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，筛选的条件是此对象是否有必要执行finalize()方法。当对象没有覆盖finalize()方法，或者finalize()方法已经被虚拟机调用过，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，那么这个对象将会放置在一个叫做F-Queue的队列之中，并在稍后由一个由虚拟机自动建立的、低优先级的Finalizer线程去执行它。这里所谓的“执行”是指虚拟机会触发这个方法，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（更极端的情况），将很可能会导致F-Queue队列中其他对象永久处于等待，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中的对象进行第二次小规模的标记，如果对象要在finalize（）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的成员变量，那在第二次标记时它将被移除出“即将回收”的集合；如果对象这时候还没有逃脱，那基本上它就真的被回收了。

2. 回收方法区

永久代的垃圾收集主要回收两部分内容：废弃常量和无用的类

类需要同时满足下面3个条件才能算是“无用的类”：

• 该类所有的实例都已经被回收，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。

3. 垃圾收集算法

标记-清除算法

• 首先标记出所有需要回收的对象，在标记完成后统一回收所有被标记的对象

• 不足：一个是效率问题，标记和清除两个过程的效率都不高；另一个是空间问题，标记清除之后会产生大量不连续的内存碎片，空间碎片太多可能会导致以后在程序运行过程中需要分配较大对象时，无法找到足够的连续内存而不得不提前触发另一次垃圾收集动作。

复制算法

• 将可用内存按容量划分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块。当这一块的内存用完了，就将还存活着的对象复制到另外一块上面，然后再把已使用过的内存空间一次清理掉。

• 现在的商业虚拟机都采用这种收集算法来回收新生代：

  • 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和其中一块Survivor。当回收时，将Eden和Survivor中还存活着的对象一次性地复制到另外一块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%的内存会被“浪费”。

  • 当Survivor空间不够用时，需要依赖其他内存（这里

    指老年代）进行分配担保（Handle Promotion）。

标记-整理算法

• 标记过程仍然与“标记-清除”算法一样，但后续步骤不是直接对可回收对象进行清理，而是让所有存活的对象都向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存，

分代收集算法

• 根据对象存活周期的不同将内存划分为几块。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。

• 在新生代中，每次垃圾收集时都发现有大批对象死去，只有少量存活，那就选用复制算法，只需要付出少量存活对象的复制成本就可以完成收集。而老年代中因为对象存活率高、没有额外空间对它进行分配担保，就必须使用“标记—清理”或者“标记—整理”算法来进行回收。

4. Hotspot的算法实现

4.1. 枚举根节点

• GC进行时必须停顿所有Java执行线程

• 虚拟机使用一组称为OopMap的数据结构，在类加载完成的时候，HotSpot就把对象内什么偏移量上是什么类型的数据计算出来，在JIT编译过程中，也会在特定的位置记录下栈和寄存器中哪些位置是引用。这样，GC在扫描时就可以直接得知这些信息了

4.2. 安全点

• 程序执行时并非在所有地方都能停顿下来开始GC，只有在到达安全点时才能暂停。安全点的选定基本上是以程序“是否具有让程序长时间执行的特征”为标准进行选定的——“长时间执行”的最明显特征就是指令序列复用，例如方法调用、循环跳转、异常跳转等。

• 如何在GC发生时让所有线程（这里不包括执行

  JNI调用的线程）都“跑”到最近的安全点上再停顿下来：
  • 抢先式中断（Preemptive Suspension）：不需要线程的执行代码主动去配合，在GC发生时，首先把所有线程全部中断，如果发现有线程中断的地方不在安全点上，就恢复线程，让它“跑”到安全点上。
  • 主动式中断（Voluntary Suspension）：主动式中断的思想是当GC需要中断线程的时候，不直接对线程操作，仅仅简单地设置一个标志，各个线程执行时主动去轮询这个标志，发现中断标志为真时就自己中断挂起。轮询标志的地方和安全点是重合的，另外再加上创建对象需要分配内存的地方

4.3. 安全区域

• 安全区域是指在一段代码片段之中（典型的例子就是线程处于Sleep状态或者Blocked状态，这时候线程无法响应JVM的中断请求），引用关系不会发生变化；在这个区域中的任意地方开始GC都是安全的

• 在线程执行到Safe Region中的代码时，首先标识自己已经进入了Safe Region，那样，当在这段时间里JVM要发起GC时，就不用管标识自己为Safe Region状态的线程了。在线程要离开Safe Region时，它要检查系统是否已经完成了根节点枚举（或者是整个GC过程），如果完成了，那线程就继续执行，否则它就必须等待直到收到可以安全离开Safe Region的信号为止。

5. GC日志

33.125：[GC [DefNew：3324K-＞152K（3712K），0.0025925 secs]3324K-＞152K（11904K），0.0031680 secs]100.667：[Full GC[Tenured：0 K-＞210 K（10240 K），0.0149142 sec s]4603K-＞210K（19456K），[Perm：2999K-＞2999K（21248K）]，0.0150007 secs][Times：user=0.01 sys=0.00，real=0.02 secs]

• 最前面的数字“33.125：”和“100.667：”代表了GC发生的时间，这个数字的含义是从Java虚拟机启动以来经过的秒数。

• GC日志开头的“[GC”和“[Full GC”说明了这次垃圾收集的停顿类型，而不是用来区分新生代GC还是老年代GC的。如果有“Full”，说明这次GC是发生了Stop-The-World的

• 接下来的“[DefNew”、“[Tenured”、“[Perm”表示GC发生的区域，这里显示的区域名称与使用的GC收集器是密切相关的

• 后面方括号内部的“3324K-＞152K（3712K）”含义是“GC前该内存区域已使用容量-＞GC后该内存区域已使用容量（该内存区域总容量）”。而在方括号之外的“3324K-＞152K（11904K）”表示“GC前Java堆已使用容量-＞GC后Java堆已使用容量（Java堆总容量）”。

• 再往后，“0.0025925 secs”表示该内存区域GC所占用的时间，单位是秒

CPU时间与墙钟时间的区别是，墙钟时间包括各种非运算的等待耗时，例如等待磁盘I/O、等待线程阻塞，而CPU时间不包括这些耗时，但当系统有多CPU或者多核的话，多线程操作会叠加这些CPU时间，所以读者看到user或sys时间超过real时间是完全正常的。

6. 内存分配与回收策略

Minor GC & Full GC

新生代GC（Minor GC）：指发生在新生代的垃圾收集动作，因为Java对象大多都具备朝生夕灭的特性，所以Minor GC非常频繁，一般回收速度也比较快。

老年代GC（Major GC/Full GC）：指发生在老年代的GC，出现了Major GC，经常会伴

随至少一次的Minor GC（但非绝对的，在Parallel Scavenge收集器的收集策略里就有直接进行Major GC的策略选择过程）。Major GC的速度一般会比Minor GC慢10倍以上。

对象优先在Eden分配

• 大多数情况下，对象在新生代Eden区中分配。当Eden区没有足够空间进行分配时，虚拟机将发起一次Minor GC。

大对象直接进入老年代

• 所谓的大对象是指，需要大量连续内存空间的Java对象，最典型的大对象就是那种很长的字符串以及数组

• 虚拟机提供了一个-XX：PretenureSizeThreshold参数，令大于这个设置值的对象直接在老年代分配

长期存活的对象将进入老年代

• 如果对象在Eden出生并经过第一次Minor GC后仍然存活，并且能被Survivor容纳的话，将被移动到Survivor空间中，并且对象年龄设为1。对象在Survivor区中每“熬过”一次Minor GC，年龄就增加1岁，当它的年龄增加到一定程度（默认为15岁），就将会被晋升到老年代中。
• 对象晋升老年代的年龄阈值，可以通过参数-XX：MaxTenuringThreshold设置。

动态对象年龄判定

• 如果在Survivor空间中相同年龄所有对象大小的总和大于Survivor空间的一半，年龄大于或等于该年龄的对象就可以直接进入老年代，无须等到MaxTenuringThreshold中要求的年龄。

空间分配担保

• 在发生Minor GC之前，虚拟机会先检查老年代最大可用的连续空间是否大于新生代所有对象总空间，如果这个条件成立，那么Minor GC可以确保是安全的。如果不成立，则虚拟机会查看HandlePromotionFailure设置值是否允许担保失败。如果允许，那么会继续检查老年代最大可用的连续空间是否大于历次晋升到老年代对象的平均大小，如果大于，将尝试着进行一次Minor GC，尽管这次Minor GC是有风险的；如果小于，或者HandlePromotionFailure设置不允许冒险，那这时也要改为进行一次Full GC。

• 如果出现了HandlePromotionFailure失败，那就只好在失败后重新发起一次Full GC。虽然担保

  失败时绕的圈子是最大的，但大部分情况下都还是会将HandlePromotionFailure开关打开，避
  免Full GC过于频繁

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垃圾收集器

并行（Parallel）：指多条垃圾收集线程并行工作，但此时用户线程仍然处于等待状

态。

并发（Concurrent）：指用户线程与垃圾收集线程同时执行（但不一定是并行的，可能会交替执行），用户程序在继续运行，而垃圾收集程序运行于另一个CPU上。

Serial收集器（新生代）

• 只会使用一个CPU或一条收集线程去完成垃圾收集工作，在它进行垃圾收集时，必须暂停其他所有的工作线程，直到它收集结束

ParNew收集器（新生代）

• 是Serial收集器的多线程版本

Parallel Scavenge收集器（新生代）

• 使用复制算法
• 目标是达到一个可控制的吞吐量（Throughput）。
  • MaxGCPauseMillis参数允许的值是一个大于0的毫秒数，收集器将尽可能地保证内存回收花费的时间不超过设定值
  • GCTimeRatio参数的值应当是一个大于0且小于100的整数，也就是垃圾收集时间占总时间的比率，相当于是吞吐量的倒数。如果把此参数设置为19，那允许的最大GC时间就占总时间的5%（即1/（1+19）），默认值为99

Serial Old收集器

• Serial收集器的老年代版本，它同样是一个单线程收集器，使用“标记-整理”算法

Parallel Old收集器

• 是Parallel Scavenge收集器的老年代版本，使用多线程和“标记-整理”算法。

CMS收集器

• 一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器，基于“标记—清除”算法

• 整个过程分为4个步骤，包括：

  • 初始标记（CMS initial mark）
  • 并发标记（CMS concurrent mark）
  • 重新标记（CMS remark）
  • 并发清除（CMS concurrent sweep）

• 初始标记、重新标记这两个步骤仍然需要“Stop The World”

• 并发标记和并发清除过程，耗时长，但与用户线程一起工作

• 缺点：资源敏感、无法处理浮动垃圾、基于“标记—清除”产生大量空间碎片

G1收集器

• 过程：

  • 初始标记（Initial Marking）
  • 并发标记（Concurrent Marking）
  • 最终标记（Final Marking）
  • 筛选回收（Live Data Counting and Evacuation）

• 最终标记阶段则是为了修正在并发标记期间因用户程序继续运作而导致标记产生变动的那一部分标记记录，虚拟机将这段时间对象变化记录在线程Remembered Set Logs里面，最终标记阶段需要把Remembered Set Logs的数据合并到Remembered Set中，这阶段需要停顿线

  程，但是可并行执行。

• 筛选回收阶段首先对各个Region的回收价值和成本进行排序，根据用户所期望的GC停顿时间来制定回收计划，这个阶段其实也可以做到与用户程序一起并发执行，但是因为只回收一部分Region，时间是用户可控制的，而且停顿用户线程将大幅提高收集效率。

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