咱们从头到尾说一次 Java 垃圾回收

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之前上学的时候有这个一个梗，说在食堂里吃饭，吃完把餐盘端走清理的，是 C++ 程序员，吃完直接就走的，是 Java 程序员。

确实，在 Java 的世界里，似乎我们不用对垃圾回收那么的专注，很多初学者不懂 GC，也依然能写出一个能用甚至还不错的程序或系统。但其实这并不代表 Java 的 GC 就不重要。相反，它是那么的重要和复杂，以至于出了问题，那些初学者除了打开 GC 日志，看着一堆0101的天文，啥也做不了。:hushed:

今天我们就从头到尾完整地聊一聊 Java 的垃圾回收。

什么是垃圾回收

垃圾回收（Garbage Collection，GC），顾名思义就是释放垃圾占用的空间，防止内存泄露。 有效的使用可以使用的内存，对内存堆中已经死亡的或者长时间没有使用的对象进行清除和回收。

Java 语言出来之前，大家都在拼命的写 C 或者 C++ 的程序，而此时存在一个很大的矛盾，C++ 等语言创建对象要不断的去开辟空间，不用的时候又需要不断的去释放控件，既要写构造函数，又要写析构函数，很多时候都在重复的 allocated，然后不停的析构。 于是，有人就提出，能不能写一段程序实现这块功能，每次创建，释放控件的时候复用这段代码，而无需重复的书写呢？

1960年，基于 MIT 的 Lisp 首先提出了垃圾回收的概念，而这时 Java 还没有出世呢！ 所以实际上 GC 并不是Java的专利，GC 的历史远远大于 Java 的历史！

怎么定义垃圾

既然我们要做垃圾回收，首先我们得搞清楚垃圾的定义是什么，哪些内存是需要回收的。

引用计数算法

引用计数算法（Reachability Counting）是通过在对象头中分配一个空间来保存该对象被引用的次数（Reference Count）。 如果该对象被其它对象引用，则它的引用计数加1，如果删除对该对象的引用，那么它的引用计数就减1，当该对象的引用计数为0时，那么该对象就会被回收。

String m = new String("jack");

先创建一个字符串，这时候"jack"有一个引用，就是 m。

然后将 m 设置为 null，这时候"jack"的引用次数就等于0了，在引用计数算法中，意味着这块内容就需要被回收了。

m = null;

引用计数算法是将垃圾回收分摊到整个应用程序的运行当中了，而不是在进行垃圾收集时，要挂起整个应用的运行，直到对堆中所有对象的处理都结束。 因此，采用引用计数的垃圾收集不属于严格意义上的"Stop-The-World"的垃圾收集机制。

看似很美好，但我们知道JVM的垃圾回收就是"Stop-The-World"的，那是什么原因导致我们最终放弃了引用计数算法呢？ 看下面的例子。

public class ReferenceCountingGC {

    public Object instance;

    public ReferenceCountingGC(String name){}
}

public static void testGC(){

    ReferenceCountingGC a = new ReferenceCountingGC("objA");
    ReferenceCountingGC b = new ReferenceCountingGC("objB");

    a.instance = b;
    b.instance = a;

    a = null;
    b = null;
}

我们可以看到，最后这2个对象已经不可能再被访问了，但由于他们相互引用着对方，导致它们的引用计数永远都不会为0，通过引用计数算法，也就永远无法通知GC收集器回收它们。

可达性分析算法

可达性分析算法（Reachability Analysis）的基本思路是，通过一些被称为引用链（GC Roots）的对象作为起点，从这些节点开始向下搜索，搜索走过的路径被称为（Reference Chain)，当一个对象到 GC Roots 没有任何引用链相连时（即从 GC Roots 节点到该节点不可达），则证明该对象是不可用的。

通过可达性算法，成功解决了引用计数所无法解决的问题-“循环依赖”，只要你无法与 GC Root 建立直接或间接的连接，系统就会判定你为可回收对象。 那这样就引申出了另一个问题，哪些属于 GC Root。

Java 内存区域

在 Java 语言中，可作为 GC Root 的对象包括以下4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

虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象

此时的 s，即为 GC Root，当s置空时，localParameter 对象也断掉了与 GC Root 的引用链，将被回收。

public class StackLocalParameter {
    public StackLocalParameter(String name){}
}

public static void testGC(){
    StackLocalParameter s = new StackLocalParameter("localParameter");
    s = null;
}

方法区中类静态属性引用的对象

s 为 GC Root，s 置为 null，经过 GC 后，s 所指向的 properties 对象由于无法与 GC Root 建立关系被回收。

而 m 作为类的静态属性，也属于 GC Root，parameter 对象依然与 GC root 建立着连接，所以此时 parameter 对象并不会被回收。

public class MethodAreaStaicProperties {
    public static MethodAreaStaicProperties m;
    public MethodAreaStaicProperties(String name){}
}

public static void testGC(){
    MethodAreaStaicProperties s = new MethodAreaStaicProperties("properties");
    s.m = new MethodAreaStaicProperties("parameter");
    s = null;
}

方法区中常量引用的对象

m 即为方法区中的常量引用，也为 GC Root，s 置为 null 后，final 对象也不会因没有与 GC Root 建立联系而被回收。

public class MethodAreaStaicProperties {
    public static final MethodAreaStaicProperties m = MethodAreaStaicProperties("final");
    public MethodAreaStaicProperties(String name){}
}

public static void testGC(){
    MethodAreaStaicProperties s = new MethodAreaStaicProperties("staticProperties");
    s = null;
}

怎么回收垃圾

在确定了哪些垃圾可以被回收后，垃圾收集器要做的事情就是开始进行垃圾回收，但是这里面涉及到一个问题是： 如何高效地进行垃圾回收。 由于Java虚拟机规范并没有对如何实现垃圾收集器做出明确的规定，因此各个厂商的虚拟机可以采用不同的方式来实现垃圾收集器，这里我们讨论几种常见的垃圾收集算法的核心思想。

标记 --- 清除算法

标记清除算法（Mark-Sweep）是最基础的一种垃圾回收算法，它分为2部分，先把内存区域中的这些对象进行标记，哪些属于可回收标记出来，然后把这些垃圾拎出来清理掉。就像上图一样，清理掉的垃圾就变成未使用的内存区域，等待被再次使用。

这逻辑再清晰不过了，并且也很好操作，但它存在一个很大的问题，那就是内存碎片。

上图中等方块的假设是 2M，小一些的是 1M，大一些的是 4M。等我们回收完，内存就会切成了很多段。我们知道开辟内存空间时，需要的是连续的内存区域，这时候我们需要一个 2M的内存区域，其中有2个 1M 是没法用的。这样就导致，其实我们本身还有这么多的内存的，但却用不了。

复制算法

复制算法（Copying）是在标记清除算法上演化而来，解决标记清除算法的内存碎片问题。 它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。 保证了内存的连续可用，内存分配时也就不用考虑内存碎片等复杂情况，逻辑清晰，运行高效。

上面的图很清楚，也很明显的暴露了另一个问题，合着我这140平的大三房，只能当70平米的小两房来使？ 代价实在太高。

标记整理算法

标记整理算法（Mark-Compact）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，再清理掉端边界以外的内存区域。

标记整理算法一方面在标记-清除算法上做了升级，解决了内存碎片的问题，也规避了复制算法只能利用一半内存区域的弊端。 看起来很美好，但从上图可以看到，它对内存变动更频繁，需要整理所有存活对象的引用地址，在效率上比复制算法要差很多。

分代收集算法分代收集算法（Generational Collection）严格来说并不是一种思想或理论，而是融合上述3种基础的算法思想，而产生的针对不同情况所采用不同算法的一套组合拳。 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。 so，另一个问题来了，那内存区域到底被分为哪几块，每一块又有什么特别适合什么算法呢？

内存模型与回收策略

Java 堆（Java Heap）是JVM所管理的内存中最大的一块，堆又是垃圾收集器管理的主要区域，这里我们主要分析一下 Java 堆的结构。

Java 堆主要分为2个区域-年轻代与老年代，其中年轻代又分 Eden 区和 Survivor 区，其中 Survivor 区又分 From 和 To 2个区。 可能这时候大家会有疑问，为什么需要  Survivor 区，为什么 Survivor 还要分2个区。 不着急，我们从头到尾，看看对象到底是怎么来的，而它又是怎么没的。

Eden 区

IBM 公司的专业研究表明，有将近98%的对象是朝生夕死，所以针对这一现状，大多数情况下，对象会在新生代 Eden 区中进行分配，当 Eden 区没有足够空间进行分配时，虚拟机会发起一次 Minor GC，Minor GC 相比 Major GC 更频繁，回收速度也更快。

通过 Minor GC 之后，Eden 会被清空，Eden 区中绝大部分对象会被回收，而那些无需回收的存活对象，将会进到 Survivor 的 From 区（若 From 区不够，则直接进入 Old 区）。

Survivor 区

Survivor 区相当于是 Eden 区和 Old 区的一个缓冲，类似于我们交通灯中的黄灯。 Survivor 又分为2个区，一个是 From 区，一个是 To 区。 每次执行 Minor GC，会将 Eden 区和 From 存活的对象放到 Survivor 的 To 区（如果 To 区不够，则直接进入 Old 区）。

为啥需要？

不就是新生代到老年代么，直接 Eden 到 Old 不好了吗，为啥要这么复杂。 想想如果没有 Survivor 区，Eden 区每进行一次 Minor GC，存活的对象就会被送到老年代，老年代很快就会被填满。 而有很多对象虽然一次 Minor GC 没有消灭，但其实也并不会蹦跶多久，或许第二次，第三次就需要被清除。 这时候移入老年区，很明显不是一个明智的决定。

所以，Survivor 的存在意义就是减少被送到老年代的对象，进而减少 Major GC 的发生。 Survivor 的预筛选保证，只有经历16次 Minor GC 还能在新生代中存活的对象，才会被送到老年代。

为啥需要俩？

设置两个 Survivor 区最大的好处就是解决内存碎片化。

我们先假设一下，Survivor 如果只有一个区域会怎样。 Minor GC 执行后，Eden 区被清空了，存活的对象放到了 Survivor 区，而之前 Survivor 区中的对象，可能也有一些是需要被清除的。 问题来了，这时候我们怎么清除它们？ 在这种场景下，我们只能标记清除，而我们知道标记清除最大的问题就是内存碎片，在新生代这种经常会消亡的区域，采用标记清除必然会让内存产生严重的碎片化。 因为 Survivor 有2个区域，所以每次 Minor GC，会将之前 Eden 区和 From 区中的存活对象复制到 To 区域。 第二次 Minor GC 时，From 与 To 职责兑换，这时候会将 Eden 区和 To 区中的存活对象再复制到 From 区域，以此反复。

这种机制最大的好处就是，整个过程中，永远有一个  S urvivor space 是空的，另一个非空的  S urvivor space 是无碎片的。 那么，Survivor 为什么不分更多块呢？ 比方说分成三个、四个、五个?显然，如果 Survivor 区再细分下去，每一块的空间就会比较小，容易导致 Survivor 区满，两块 Survivor 区可能是经过权衡之后的最佳方案。

Old 区

老年代占据着2/3的堆内存空间，只有在 Major GC 的时候才会进行清理，每次 GC 都会触发“Stop-The-World”。 内存越大，STW 的时间也越长，所以内存也不仅仅是越大就越好。 由于复制算法在对象存活率较高的老年代会进行很多次的复制操作，效率很低，所以老年代这里采用的是标记 --- 整理算法。

除了上述所说，在内存担保机制下，无法安置的对象会直接进到老年代，以下几种情况也会进入老年代。

大对象

大对象指需要大量连续内存空间的对象，这部分对象不管是不是“朝生夕死”，都会直接进到老年代。 这样做主要是为了避免在 Eden 区及2个 Survivor 区之间发生大量的内存复制。 当你的系统有非常多“朝生夕死”的大对象时，得注意了。

长期存活对象

虚拟机给每个对象定义了一个对象年龄（Age）计数器。 正常情况下对象会不断的在 Survivor 的 From 区与 To 区之间移动，对象在 Survivor 区中每经历一次 Minor GC，年龄就增加1岁。 当年龄增加到15岁时，这时候就会被转移到老年代。 当然，这里的15，JVM 也支持进行特殊设置。

动态对象年龄

虚拟机并不重视要求对象年龄必须到15岁，才会放入老年区，如果 Survivor 空间中相同年龄所有对象大小的总合大于 Survivor 空间的一半，年龄大于等于该年龄的对象就可以直接进去老年区，无需等你“成年”。

这其实有点类似于负载均衡，轮询是负载均衡的一种，保证每台机器都分得同样的请求。 看似很均衡，但每台机的硬件不通，健康状况不同，我们还可以基于每台机接受的请求数，或每台机的响应时间等，来调整我们的负载均衡算法。

本文部分内容参考自书籍：《深入理解Java虚拟机》。

本文作者：

聂晓龙（花名： 率鸽），阿里巴巴高级开发工程师。 目前团队正在疯狂招聘中，感兴趣的同学可直接邮件 xiaolong.nxl#alibaba-inc.com，fulan.zjf#alibaba-inc.com.

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