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一、 垃圾收集的意義 在C++中，對象所占的內(nèi)存在程序結(jié)束運(yùn)行之前一直被占用，在明確釋放之前不能分配給其它對象；而在Java中，當(dāng)沒有對象引用指向原先分配給某個對象的內(nèi)存時，該內(nèi)存便成為垃圾。垃圾收集器釋放丟棄對象所占的內(nèi)存空間，內(nèi)存會出現(xiàn)碎片。碎片是分配給對象的內(nèi)存塊之間的空閑內(nèi)存洞。碎片整理將所占用的堆內(nèi)存移到堆的一端，JVM將整理出的內(nèi)存分配給新的對象。 垃圾收集能自動釋放內(nèi)存空間，減輕編程的負(fù)擔(dān)。這使Java虛擬機(jī)具有一些優(yōu)點(diǎn)。首先，它能使編程效率提高。在沒有垃圾收集機(jī)制的時候，可能要花許多時間來解決一個難懂的存儲器問題。在用Java語言編程的時候，靠垃圾收集機(jī)制可大大縮短時間。其次是它保護(hù)程序的完整性， 垃圾收集是Java語言安全性策略的一個重要部份。垃圾收集的一個潛在的缺點(diǎn)是它的開銷影響程序性能。Java虛擬機(jī)必須追蹤運(yùn)行程序中有用的對象，而且最終釋放沒用的對象。這一個過程需要花費(fèi)處理器的時間。其次垃圾收集算法的不完備性，早先采用的某些垃圾收集算法就不能保證100%收集到所有的廢棄內(nèi)存。當(dāng)然隨著垃圾收集算法的不斷改進(jìn)以及軟硬件運(yùn)行效率的不斷提升，這些問題都可以迎刃而解。一般來說，Java開發(fā)人員可以不重視JVM中堆內(nèi)存的分配和垃圾處理收集，但是，充分理解Java的這一特性可以讓我們更有效地利用資源。同時要注意finalize方法是Java的缺省機(jī)制，有時為確保對象資源的明確釋放，可以編寫自己的finalize方法。
二、對象的判定 Java堆中存放著幾乎所有的對象實(shí)例，垃圾收集器對堆中的對象進(jìn)行回收前，要先確定這些對象是否還有用，判定對象是否為垃圾對象有如下算法： 1、 引用計(jì)數(shù)法 引用計(jì)數(shù)是垃圾收集器中的早期策略。在這種方法中，堆中每個對象（不是引用）都有一個引用計(jì)數(shù)。對于一個對象 A，只要有任何一個對象引用了 A，則A 的引用計(jì)數(shù)器就加 1，當(dāng)引用失效時，引用計(jì)數(shù)器就減 1。只要對象 A 的引用計(jì)數(shù)器的值為 0，則對象 A就不可能再被使用。 引用計(jì)數(shù)法實(shí)現(xiàn)簡單，判定效率也很高。但是這個算法有明顯的缺陷，對于循環(huán)引用的情況下，循環(huán)引用的對象就不會被回收。如A=B,B=A,此時，對象 A 和對象B 的引用計(jì)數(shù)器都不為 0。但是在系統(tǒng)中卻不存在任何第 3 個對象引用了 A 或 B。也就是說，A 和 B 是應(yīng)該被回收的垃圾對象，但由于垃圾對象間相互引用，從而使垃圾回收器無法識別，引起內(nèi)存泄漏。 2、 根搜索算法 這種算法的基本思路是通過一系列名為“GC Roots”的對象作為起始點(diǎn)，從這些節(jié)點(diǎn)開始向下搜索，搜索所走過的路徑稱為引用鏈，當(dāng)一個對象到GC Roots沒有任何引用鏈相連時，就證明此對象是不可用的。在Java語言里，可作為GC Roots的對象包括下面幾種：
三、引用的類型 無論是通過引用計(jì)數(shù)算法判斷對象的引用數(shù)量，還是通過根搜索算法判斷對象的引用鏈?zhǔn)欠窨蛇_(dá)，判斷對象是否存活都與“引用有關(guān)”。一般的引用類型分為強(qiáng)引用（ Strong Reference）、軟引用（ Soft Reference）、弱引用（ Weak Reference）、虛引用（ Phantom Reference）四種，這四種引用強(qiáng)度依次逐漸減弱。 1、強(qiáng)引用就是指在程序代碼之中普遍存在的，類似“Objectobj = new Object”這類的引用，只要強(qiáng)引用還存在，垃圾收集器永遠(yuǎn)不會回收掉被引用的對象。當(dāng)內(nèi)存空間不足，Java虛擬機(jī)寧愿拋出OutOfMemoryError錯誤，使程序異常終止，也不會靠隨意回收具有強(qiáng)引用的對象來解決內(nèi)存不足的問題。如果不使用時，可以賦值obj=null，顯示的設(shè)置ob為null，則gc認(rèn)為該對象不存在引用，這時候就可以回收此對象。 強(qiáng)引用在實(shí)際應(yīng)用中非常常見，集合類中的clear方法就用到了強(qiáng)引用，下面看一下hashmap中clear方法的源代碼： transient Node<K,V> table; public void clear { Node<K,V> tab; modCount++; if ((tab = table) != null && size > 0) { size = 0; for (int i = 0; i < tab.length; ++i) tab[i] = null; } }在HashMap類中定義了一個table數(shù)組，在調(diào)用clear方法清空數(shù)組時可以看到為每個數(shù)組內(nèi)容賦值為null。不同于table=null，強(qiáng)引用仍然存在，避免在其他方法用到數(shù)組時重新的內(nèi)存分配。使用如clear方法中釋放內(nèi)存的方法對數(shù)組中存放的引用類型特別適用，這樣就可以及時釋放內(nèi)存。
2、軟引用用來描述一些還有用，但并非必需的對象。對于軟引用關(guān)聯(lián)著的對象，如果內(nèi)存充足，則垃圾回收器不會回收該對象，如果內(nèi)存不夠了，就會回收這些對象的內(nèi)存。在JDK 1.2之后，提供了SoftReference類來實(shí)現(xiàn)軟引用。軟引用可用來實(shí)現(xiàn)內(nèi)存敏感的高速緩存。軟引用可以和一個引用隊(duì)列（ReferenceQueue）聯(lián)合使用，如果軟引用所引用的對象被垃圾回收器回收，Java虛擬機(jī)就會把這個軟引用加入到與之關(guān)聯(lián)的引用隊(duì)列中。 軟引用主要應(yīng)用于內(nèi)存敏感的高速緩存，在android系統(tǒng)中經(jīng)常使用到。一般情況下，Android應(yīng)用會用到大量的默認(rèn)圖片，這些圖片很多地方會用到。如果每次都去讀取圖片，由于讀取文件需要硬件操作，速度較慢，會導(dǎo)致性能較低。所以我們考慮將圖片緩存起來，需要的時候直接從內(nèi)存中讀取。但是，由于圖片占用內(nèi)存空間比較大，緩存很多圖片需要很多的內(nèi)存，就可能比較容易發(fā)生OutOfMemory異常。這時，我們可以考慮使用軟引用技術(shù)來避免這個問題發(fā)生。SoftReference可以解決oom的問題，每一個對象通過軟引用進(jìn)行實(shí)例化，這個對象就以cache的形式保存起來，當(dāng)再次調(diào)用這個對象時，那么直接通過軟引用中的get方法，就可以得到對象中中的資源數(shù)據(jù)，這樣就沒必要再次進(jìn)行讀取了，直接從cache中就可以讀取得到，當(dāng)內(nèi)存將要發(fā)生OOM的時候，GC會迅速把所有的軟引用清除，防止oom發(fā)生。 下面看一段簡單的代碼： public class BitMapManager { private Map<String, SoftReference<Bitmap>> imageCache = new HashMap<String, SoftReference<Bitmap>>; //保存Bitmap的軟引用到HashMap public void saveBitmapToCache(String path) { // 強(qiáng)引用的Bitmap對象 Bitmap bitmap = BitmapFactory.decodeFile(path); // 軟引用的Bitmap對象 SoftReference<Bitmap> softBitmap = new SoftReference<Bitmap>(bitmap); // 添加該對象到Map中使其緩存 imageCache.put(path, softBitmap); // 使用完后手動將位圖對象置null bitmap = null; } public Bitmap getBitmapByPath(String path) { // 從緩存中取軟引用的Bitmap對象 SoftReference<Bitmap> softBitmap = imageCache.get(path); // 判斷是否存在軟引用 if (softBitmap == null) { return null; } // 取出Bitmap對象，如果由于內(nèi)存不足Bitmap被回收，將取得空 Bitmap bitmap = softBitmap.get; return bitmap; } }3、弱引用也是用來描述非必需對象的，當(dāng)JVM進(jìn)行垃圾回收時，無論內(nèi)存是否充足，都會回收被弱引用關(guān)聯(lián)的對象。在jdk1.2后，用WeakReference類來實(shí)現(xiàn)弱引用。弱引用與軟引用的區(qū)別在于：只具有弱引用的對象擁有更短暫的生命周期。下面看一個簡單例子: import java.lang.ref.WeakReference; public class WeakReferenceTest { public static void main(String args) { WeakReference<String> sr ; sr= new WeakReference<String>(new String("弱引用")); System.out.println(sr.get);//輸出弱引用 System.gc; //通知JVM的gc進(jìn)行垃圾回收 System.out.println(sr.get);//輸出null //如果存在強(qiáng)引用同時與之關(guān)聯(lián)，則進(jìn)行垃圾回收時也不會回收該對象 String str = new String (new String("弱引用")); sr = new WeakReference<String>(str); System.gc; //通知JVM的gc進(jìn)行垃圾回收 System.out.println(sr.get); //輸出弱引用 } }4、虛引用和前面的軟引用、弱引用不同，它并不影響對象的生命周期。在java中用java.lang.ref.PhantomReference類表示。如果一個對象與虛引用關(guān)聯(lián)，則跟沒有引用與之關(guān)聯(lián)一樣，在任何時候都可能被垃圾回收器回收。要注意的是，虛引用必須和引用隊(duì)列關(guān)聯(lián)使用，當(dāng)垃圾回收器準(zhǔn)備回收一個對象時，如果發(fā)現(xiàn)它還有虛引用，就會把這個虛引用加入到與之關(guān)聯(lián)的引用隊(duì)列中。程序可以通過判斷引用隊(duì)列中是否已經(jīng)加入了虛引用，來了解被引用的對象是否將要被垃圾回收。如果程序發(fā)現(xiàn)某個虛引用已經(jīng)被加入到引用隊(duì)列，那么就可以在所引用的對象的內(nèi)存被回收之前采取必要的行動。下面看一個簡單的例子：import java.lang.ref.PhantomReference; import java.lang.ref.ReferenceQueue; public class PhantomReferenceTest { public static void main(String args) { ReferenceQueue<String> queue = new ReferenceQueue<String>; PhantomReference<String> pr = new PhantomReference<String>(new String("虛引用"), queue); System.out.println(pr.get);//輸出null } }四、垃圾收集算法 1、標(biāo)記-清除算法（Mark-Sweep） 標(biāo)記-清除算法分為標(biāo)記和清除兩個階段：首先標(biāo)記出所有需要回收的對象，在標(biāo)記完成后統(tǒng)一回收所有被標(biāo)記的對象，標(biāo)記過程其實(shí)就是根搜索算法判斷對象是否存活。該算法主要不足有兩個：一個是效率問題，標(biāo)記和清除兩個過程的效率都不高；另一個是空間問題，標(biāo)記清除之后會產(chǎn)生大量不連續(xù)的內(nèi)存碎片，空間碎片太多可能會導(dǎo)致以后在程序運(yùn)行過程中需要分配較大的對象時，無法找到足夠的連續(xù)內(nèi)存而不得不提前觸發(fā)另一次垃圾收集動作。標(biāo)記-清除算法的執(zhí)行過程如下圖所示：  圖一、“標(biāo)記-清除”算法示意圖 2、復(fù)制算法（Coping） 復(fù)制算法是把內(nèi)存分成大小相等的兩塊，每次使用其中一塊，當(dāng)垃圾回收的時候，把存活的對象復(fù)制到另一塊上，然后把這塊內(nèi)存整個清理掉。這樣使得每次都是對整個半?yún)^(qū)進(jìn)行內(nèi)存回收，內(nèi)存分配時就不用考慮內(nèi)存碎片等復(fù)雜情況，實(shí)現(xiàn)簡單，運(yùn)行高效。這種方法適用于短生存期的對象，持續(xù)復(fù)制長生存期的對象則導(dǎo)致效率降低。復(fù)制算法的執(zhí)行過程如下圖所示：  圖二、復(fù)制算法示意圖 3、標(biāo)記-整理算法（Mark-Compact） 復(fù)制算法在對象存活率較高時就要進(jìn)行較多的復(fù)制操作，效率將會降低。老年代更常見的情況是大部分對象都是存活對象。如果依然使用復(fù)制算法，由于存活的對象較多，復(fù)制的成本也將很高。標(biāo)記-整理算法是一種老年代的回收算法，該算法與標(biāo)記-清除算法的標(biāo)記過程一樣，但是之后不是直接對可回收對象進(jìn)行清理，而是讓所有存活的對象都向一端移動，然后直接清理掉端邊界以外的內(nèi)存。這種方法既避免了碎片的產(chǎn)生，又不需要兩塊相同的內(nèi)存空間，其性價比比較高。該算法示意圖如下圖所示：  圖三、“標(biāo)記-整理”算法示意圖 4、分代收集算法 根據(jù)垃圾回收對象的特性，不同階段最優(yōu)的方式是使用合適的算法用于本階段的垃圾回收，分代算法即是基于這種思想，它將內(nèi)存區(qū)間根據(jù)對象的特點(diǎn)分成幾塊，根據(jù)每塊內(nèi)存區(qū)間的特點(diǎn)，使用不同的回收算法，以提高垃圾回收的效率。一般把java堆分為新生代和老年代，新生代采用復(fù)制算法，老年代采用標(biāo)記-整理算法。
五、垃圾收集器 垃圾收集算法是內(nèi)存回收的理論基礎(chǔ)，而垃圾收集器就是內(nèi)存回收的具體實(shí)現(xiàn)。下面介紹一下HotSpot（JDK 7)虛擬機(jī)提供的幾種垃圾收集器，用戶可以根據(jù)自己的需求組合出各個年代使用的收集器。HotSpot的虛擬機(jī)的垃圾收集器如下圖所示：  圖四、 HotSpot虛擬機(jī)的垃圾收集器 1、Serial收集器 這個收集器是一個單線程收集器，使用復(fù)制收集算法，收集時會暫停所有工作線程，直到收集結(jié)束，虛擬機(jī)運(yùn)行在Client模式時的默認(rèn)新生代收集器。優(yōu)點(diǎn)是：簡單高效（與其他收集器的單線程相比），對于限定單個CPU的環(huán)境來說，Serial收集器沒有現(xiàn)成交互的開銷，做垃圾收集可以獲得最高的單線程收集效率。如下圖：  圖五、Serial/SerialOld收集器運(yùn)行示意圖
2、ParNew收集器 ParNew收集器其實(shí)就是Serial收集器的多線程版本，除了使用多條線程進(jìn)行垃圾收集之外，其余行為包括算法、STW、對象分配規(guī)則、回收策略等都與Serial收集器一樣。ParNew收集器是許多運(yùn)行在server模式下的虛擬機(jī)中首選的新生代收集器，一個重要原因是在除了serial收集器外，目前只有它能與CMS收集器配合使用。ParNew收集器在單CPU環(huán)境中不比Serial效果好，甚至可能更差，兩個CPU也不一定跑的過，但隨著CPU數(shù)量的增加，性能會逐步增加。ParNew收集器的工作過程如下： 
圖六、ParNew/SerialOld收集器運(yùn)行示意圖
3、Parallel Scavenge收集器 ParallelScavenge收集器是一個新生代收集器，它是使用復(fù)制算法的并行多線程的收集器。 ParallelScavenge的特點(diǎn)是它的關(guān)注點(diǎn)與其他收集器不同，CMS等收集器的關(guān)注點(diǎn)盡可能地縮短垃圾收集時用戶線程的停頓時間，而Parallel Scavenge收集器的目標(biāo)則是達(dá)到一個可控制的吞吐量（Throughput）。所謂吞吐量就是CPU用于運(yùn)行用戶代碼時間與CPU總消耗時間的比值。吞吐量=運(yùn)行用戶代碼時間/運(yùn)行用戶代碼時間+垃圾收集時間。 高吞吐量和停頓時間短的策略相比，主要強(qiáng)調(diào)高效率地利用CPU時間，任務(wù)更快完成，適用于后臺運(yùn)算而不需要太多交互的任務(wù)；而后者強(qiáng)調(diào)用戶交互體驗(yàn)。 4、Serial Old收集器 單線程收集器，是Serial收集器老年代版本，使用“標(biāo)記-整理”算法，主要用在client模式下，如果在Server模式下，它主要有兩大用途：一種用途是在JDK1.5以及之前的版本中與Parallel Scavenge收集器搭配使用；另一用途是作為CMS收集器的后備預(yù)案，在并發(fā)手機(jī)發(fā)生CMF時使用。 5、Parallel Old收集器 Parallel Old是ParallelScavenge收集器的老年代版本，使用多線程和“標(biāo)記-整理”算法。Parallel Old收集器的工作過程如下圖：  圖七、Parallel Scavenge/Parallel Old收集器運(yùn)行示意圖 6、CMS收集器 CMS(Concurrent Mark Sweep)收集器是一種以獲取最短回收停頓時間為目標(biāo)的收集器。CMS收集器是基于“標(biāo)記-清除”算法實(shí)現(xiàn)的，整個收集過程大致分為4個步驟： （1）初始標(biāo)記（CMS initial mark）：標(biāo)記GC Roots能直接關(guān)聯(lián)到的對象，速度很快。 （2）并發(fā)標(biāo)記（CMS concurrent mark）：進(jìn)行GC ROOTS根搜索算法階段，會判定對象是否存活。 （3）重新標(biāo)記（CMS remark）：修正并發(fā)標(biāo)記期間因用戶程序繼續(xù)運(yùn)行而導(dǎo)致標(biāo)記發(fā)生改變的那一部分對象的標(biāo)記記錄。 其中初始標(biāo)記和重新標(biāo)記兩個階段仍然需要Stop-The-World，整個過程中耗時最長的并發(fā)標(biāo)記和并發(fā)清除過程中收集器都可以和用戶線程一起工作。所以整體來說，CMS收集器的內(nèi)存回收過程是與用戶線程一起并發(fā)執(zhí)行的。 CMS收集器的優(yōu)點(diǎn)：并發(fā)收集、低停頓，但是CMS還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到完美，器主要有三個顯著缺點(diǎn)： （1）CMS收集器對CPU資源非常敏感。在并發(fā)階段，雖然不會導(dǎo)致用戶線程停頓，但是會占用CPU資源而導(dǎo)致引用程序變慢，總吞吐量下降。CMS默認(rèn)啟動的回收線程數(shù)是：(CPU數(shù)量+3) / 4。 （2）CMS收集器無法處理浮動垃圾，可能出現(xiàn)“Concurrent Mode Failure“，失敗后而導(dǎo)致另一次Full GC的產(chǎn)生。 （3）最后一個缺點(diǎn)，CMS是基于“標(biāo)記-清除”算法實(shí)現(xiàn)的收集器，使用“標(biāo)記-清除”算法收集后，會產(chǎn)生大量碎片?？臻g碎片太多時，將會給對象分配帶來很多麻煩，比如說大對象，內(nèi)存空間找不到連續(xù)的空間來分配不得不提前觸發(fā)一次Full GC。  圖八、CMS收集器運(yùn)行示意圖 7、G1收集器 G1收集器是一款面向服務(wù)端應(yīng)用的垃圾收集器，用于替換CMS收集器。與其他GC收集器相比，G1具有以下幾個特點(diǎn)： （1）并行與并發(fā)：充分利用多CPU、多核環(huán)境下的硬件優(yōu)勢，使用多個CPU來縮短Stop-The-World停頓時間，在收集過程中用并發(fā)的方式讓Java線程繼續(xù)執(zhí)行。 （2）分代收集：仍然有分代的概念，不需要其他收集器配合能獨(dú)立管理整個GC堆，能夠采用不同的方式去處理新創(chuàng)建的對象和已經(jīng)存活了一段時間、熬過多次GC的就對象以獲得更好的收集效果。 （3）空間整合：G1從整體看，是基于“標(biāo)記-整理”算法實(shí)現(xiàn)的，從局部（兩個Region之間）看是基于“復(fù)制”算法的。在運(yùn)行期間不會產(chǎn)生內(nèi)存碎片，有利于程序長時間運(yùn)行分配大對象時不會因?yàn)闊o法找到連續(xù)內(nèi)存而提前出發(fā)下一次GC。 （4）可預(yù)測的停頓：G1除了追求低停頓外，還能建立可預(yù)測的停頓時間模型。
G1收集器運(yùn)作大致可以分為以下幾個步驟： （1）初始標(biāo)記：只標(biāo)記GC Roots能直接關(guān)聯(lián)到的對象，并且修改TAMS（Next Topat Mark Start）值，讓下一階段用戶程序并發(fā)運(yùn)行時，能在正確可用的Region中創(chuàng)建新對象。此階段需要停頓用戶線程。 （2）并發(fā)標(biāo)記：從GC Roots開始對堆中對象進(jìn)行可達(dá)性分析，找出存活對象；耗時較長，可與用戶線程并發(fā)執(zhí)行。 （3）最終標(biāo)記：修正在并發(fā)標(biāo)記期間有變動的標(biāo)記記錄，這階段需要停頓線程，可以并行執(zhí)行。 （4）篩選回收：對各個Region的回收價值和成本進(jìn)行排序，根據(jù)用戶期望的GC停頓時間制定回收計(jì)劃，進(jìn)行垃圾回收。  圖九、G1收集器運(yùn)行示意圖
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