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JVM - 关于垃圾收集的常见问题

在JDK 1.2 之后，对引用的概念进行了扩充，把引用分为强引用、软引用、弱引用、虚引用。

强引用：一般的引用，只要强引用还存在，垃圾收集器就不会回收这个对象；
软引用SoftReference：描述一些还有用但不是必须的对象。在 系统将要发生OOM之前 ，会把这些对象列进回收范围之中进行 第二次回收 ，如果第二次回收后还是没有足够的内存，才会抛OOM异常；
弱引用WeakReference：只能生存到 下一次垃圾收集发生之前 ；
虚引用PhantomReference：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。

这四种引用的应用场景是什么？

强引用就不说了，我们平时用得最多的就是强引用。

软引用一般用于图片缓存、网页缓存或其它形式的缓存框架中。“内存缓存”中的图片是以这种引用保存，使得 JVM 在发生 OOM 之前，可以回收这部分缓存。

Browser prev = new Browser();               // 获取页面进行浏览
SoftReference sr = new SoftReference(prev); // 浏览完毕后置为软引用        
if(sr.get() != null) { 
    rev = (Browser) sr.get();           // 还没有被回收器回收，直接获取
} else {
    prev = new Browser();               // 由于内存吃紧，所以对软引用的对象回收了
    sr = new SoftReference(prev);       // 重新构建
}
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JDK中的 WeakHashMap 和 ThreadLocal 使用了弱引用。

设计WeakHashMap类是为了解决一个有趣的问题：如果有一个值，对应的键已经不再使用了，将会出现什么情况呢？

假定对某个键的最后一次引用已经消亡，不再有任何途径引用这个值的对象了。但是，由于在程序中的任何部分没有再出现这个键，所以，这个键值对无法从Map中删除。

WeakHashMap 使用弱引用（weak references) 保存键。 WeakReference对象将引用保存到另外一个对象中，在这里，就是散列键。对于这种类型的对象，垃圾回收器用一种特有的方式进行处理。

通常，如果垃圾回收器发现某个特定的对象已经没有他人引用了，就将其回收。然而，如果某个对象只能由 WeakReference引用，垃圾回收器仍然回收它，但要将引用这个对象的弱引用放人队列中。

WeakHashMap将周期性地检查队列，以便找出新添加的弱引用。一个弱引用进人队列意味着这个键不再被他人使用，并且已经被收集起来。于是，WeakHashMap将删除对应的键值对。

JDK中直接内存的回收就用到虚引用，由于JVM自动内存管理的范围是堆内存，而直接内存是在堆内存之外（其实是内存映射文件），所以直接内存的分配和回收都是由Unsafe类去操作。

Java在申请一块直接内存之后，会在堆内存分配一个对象保存这个堆外内存的引用，这个对象被垃圾收集器管理，一旦这个对象被回收，相应的用户线程会收到通知并对直接内存进行清理工作。

关于软引用的缓存功能，还有更好的替代方法吗？

有的，我们可以使用最近最少使用算法（LRU）。其核心思想是“如果数据最近被访问过，那么将来被访问的几率也更高”。最常见的实现是使用一个链表保存缓存数据，详细算法实现如下：

新数据插入到链表头部；
每当缓存命中（即缓存数据被访问），则将数据移到链表头部；
当链表满的时候，将链表尾部的数据丢弃。

Redis的键过期策略就使用了LRU算法。

安全点

什么是安全点和安全区域？

指的是程序在某个点或者某个区域是GC安全的。

对于Safe Point，另一个需要考虑的问题是如何在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。

这里有两种方案可供选择：抢先式中断（Preemptive Suspension）和主动式中断（Voluntary Suspension），其中抢先式中断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。现在几乎没有虚拟机实现采用抢先式中断来暂停线程从而响应GC事件。

而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。

使用Safe Point似乎已经完美地解决了如何进入GC的问题，但实际情况却并不一定。Safe Point机制保证了程序执行时，在不太长的时间内就会遇到可进入GC的Safe Point。

但是，程序“不执行”的时候呢？所谓的程序不执行就是没有分配CPU时间，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，“走”到安全的地方去中断挂起，JVM也显然不太可能等待线程重新被分配CPU时间。对于这种情况，就需要安全区域（Safe Region）来解决。

安全区域是指在一段代码片段之中，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。我们也可以把Safe Region看做是被扩展了的Safe Point。

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。

垃圾收集器

说一下常见的一些垃圾收集器？

新生代：Serial：单线程，新生代； ParNew: 多线程，新生代； Parallel Scavenge：多线程，新生代，关注吞吐量，允许较长的STW（Stop the world）换取吞吐量最大化； 老年代： Serial Old: 单线程，Serial的老年代版本； Parallel Old：多线程，Parallel Scavenge的老年代版本，关注吞吐量； CMS：多线程，标记-清除算法，关注停顿时间，可以与Serial和ParNew配合。 其它： G1：同时负责新生代和老年代，是目前一段时间主流的垃圾收集器（JDK 9 到 11 的默认垃圾收集器）。 ZGC：在大堆下也可以控制STW时间极短（几毫秒内），在JDK 11 为实验阶段。