垃圾收集需要完成的三件事情:

  1. 哪些内存需要回收?
  2. 什么时候回收?
  3. 如何回收?

哪些内存需要回收

什么是引用

在JDK1.2以前,Java中对引用的定义:如果reference类型的数据中存储的数据代表的是另外一块内存的起始地址,就成这块内存代表着一个引用。
缺点:
定义太过狭隘,对于如何描述一些“食之无味,弃之可惜”的对象显得无能为力。

在JDK1.2之后,Java将引用分为强引用、软引用、弱引用和虚引用。

  • 强引用
    强引用就是指在程序代码之中普遍存在的,类似“Object obj = new Object()”这类的引用,只要强引用还存在,垃圾收集器就永远不会回收掉被引用的的对象。

  • 软引用
    软引用是用来描述一些还有用但非必要的对象。对于软引用关联着的对象,在系统将要发生内存溢出异常之前,将会把这些对象列进回收范围之中进行第二次回收。

  • 弱引用
    弱引用也是用来描述非必需对象的,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。

  • 虚引用

    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的实例。为一个对象设置虚引用关联唯一的目的就是能在这个对象被收集器回收的时候收到一个系统通知。

引用计数法

引用计数法就是给对象添加一个引用计数器,每当有一个地方引用它,计数器就加1,当引用失效时,计数器的值就减1,任何时刻计数器为0的对象就是不可能再被使用的。
优点:实现简单,判定效率很高,在大部分情况下时一个不错的算法。
缺点:很难解决对象之间相互循环引用的问题。因此,在主流的Java虚拟机里面没有选用引用计数法来管理内存。

可达性分析算法

该算法的基本思路是通过一系列称为“GC Roots”的对象作为起始点,从这些点开始向下搜索,搜索所走过的路径称为引用链,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:
垃圾收集算法_软引用
object 5、object 6和object 7虽然互相有关联,但是它们到GC Roots是不可达的,所以他们将会被判定为是可回收的对象。

在Java中,可以作为GC Roots的对象包括以下几种:

  • 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(一般说的Native方法)引用的对象。

回收方法区

回收方法区,或者说是HotSpot虚拟机中的永久代。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。回收废弃常量与回收Java堆中的对象非常相似。比如一个字符串“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,也就是没有任何String对象引用常量池中的“abc”常量,也没有其他地方引用了这个字面量,如果这时发生内存回收,而且必要的话,这个“abc”常量就会被系统清理出常量池。
要判定一个类是否是“无用的类”,需要同时满足3个条件:

  1. 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;

  2. 加载该类的ClassLoader已经被回收;

  3. 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。

如何回收

标记—清除算法

该算法分为“标记”和“清除”两个阶段。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。示意图如下:
垃圾收集算法_java_02
该算法主要有两个不足之处:

  1. 效率问题,标记和清除两个过程的效率都不高;
  2. 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

复制算法将可用内存按容量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。示意图如下:
垃圾收集算法_软引用_03
复制算法每次都是对整个半区进行内存回收,内存分配时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。但是在对象存活率较高时需要进行较多的复制操作,效率将会变低。此外,这种算法是将内存缩小到原来的一半,这样的代价太高了一点。

标记—整理算法

该算法标记过程仍然与“标记—清除”算法一样,但是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。示意图如下:
垃圾收集算法_软引用_04

分代收集算法

分代收集算法一般是Java堆分为新生代和老年代,然后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。而在老年代中因为对象的存活率高,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。