程序計數器、虛擬機棧和本地方法棧這三個區域屬於線程私有的，只存在於線程的生命周期內，線程結束之後也會消失，因此不需要對這三個區域進行垃圾回收。垃圾回收主要是針對 Java 堆和方法區進行。

判斷一個對象是否可回收

1. 引用計數算法

給對象添加一個引用計數器，當對象增加一個引用時計數器加 1，引用失效時計數器減 1。引用計數為 0 的對象可被回收。

兩個對象出現循環引用的情況下，此時引用計數器永遠不為 0，導致無法對它們進行回收。

public class ReferenceCountingGC {
    public Object instance = null;

    
 
public static void main(String[] args) {
        ReferenceCountingGC objectA = new ReferenceCountingGC();
        ReferenceCountingGC objectB = new ReferenceCountingGC();
        objectA.instance = objectB;
        objectB.instance = objectA;
    }
}

正因為循環引用的存在，因此 Java 虛擬機不適用引用計數算法。

2. 可達性分析算法

通過 GC Roots 作為起始點進行搜索，能夠到達到的對象都是存活的，不可達的對象可被回收。

Java 虛擬機使用該算法來判斷對象是否可被回收，在 Java 中 GC Roots 一般包含以下內容：

• 虛擬機棧中引用的對象
• 本地方法棧中引用的對象
• 方法區中類靜態屬性引用的對象
• 方法區中的常量引用的對象

3. 引用類型

無論是通過引用計算算法判斷對象的引用數量，還是通過可達性分析算法判斷對象的引用鏈是否可達，判定對象是否可被回收都與引用有關。

Java 具有四種強度不同的引用類型。

（一）強引用

被強引用關聯的對象不會被垃圾收集器回收。

使用 new 一個新對象的方式來創建強引用。

Object obj = new Object();

（二）軟引用

被軟引用關聯的對象，只有在內存不夠的情況下才會被回收。

使用 SoftReference 類來創建軟引用。

Object obj = new Object();
SoftReference<Object> sf = new SoftReference<Object>(obj);
obj = null; // 使對象只被軟引用關聯

（三）弱引用

被弱引用關聯的對象一定會被垃圾收集器回收，也就是說它只能存活到下一次垃圾收集發生之前。

使用 WeakReference 類來實現弱引用。

Object obj = new Object();
WeakReference<Object> wf = new WeakReference<Object>(obj);
obj = null;

WeakHashMap 的 Entry 繼承自 WeakReference，主要用來實現緩存。

private static class Entry<K,V> extends WeakReference<Object> implements Map.Entry<K,V>

Tomcat 中的 ConcurrentCache 就使用了 WeakHashMap 來實現緩存功能。ConcurrentCache 采取的是分代緩存，經常使用的對象放入 eden 中，而不常用的對象放入 longterm。eden 使用 ConcurrentHashMap 實現，longterm 使用 WeakHashMap，保證了不常使用的對象容易被回收。

public final class ConcurrentCache<K, V> {

    private final int size;

    private final Map<K, V> eden;

    private final Map<K, V> longterm;

    public ConcurrentCache(int size) {
        this.size = size;
        this.eden = new ConcurrentHashMap<>(size);
        this.longterm = new WeakHashMap<>(size);
    }

    public V get(K k) {
        V v = this.eden.get(k);
        if (v == null) {
            v = this.longterm.get(k);
            if (v != null)
                this.eden.put(k, v);
        }
        return v;
    }

    public void put(K k, V v) {
        if (this.eden.size() >= size) {
            this.longterm.putAll(this.eden);
            this.eden.clear();
        }
        this.eden.put(k, v);
    }
}

（四）虛引用

又稱為幽靈引用或者幻影引用。一個對象是否有虛引用的存在，完全不會對其生存時間構成影響，也無法通過虛引用取得一個對象實例。

為一個對象設置虛引用關聯的唯一目的就是能在這個對象被收集器回收時收到一個系統通知。

使用 PhantomReference 來實現虛引用。

Object obj = new Object();
PhantomReference<Object> pf = new PhantomReference<Object>(obj);
obj = null;

4. 方法區的回收

因為方法區主要存放永久代對象，而永久代對象的回收率比新生代差很多，因此在方法區上進行回收性價比不高。

主要是對常量池的回收和對類的卸載。

類的卸載條件很多，需要滿足以下三個條件，並且滿足了也不一定會被卸載：

• 該類所有的實例都已經被回收，也就是 Java 堆中不存在該類的任何實例。
• 加載該類的 ClassLoader 已經被回收。
• 該類對應的 java.lang.Class 對象沒有在任何地方被引用，也就無法在任何地方通過反射訪問該類方法。

可以通過 -Xnoclassgc 參數來控制是否對類進行卸載。

在大量使用反射、動態代理、CGLib 等 ByteCode 框架、動態生成 JSP 以及 OSGi 這類頻繁自定義 ClassLoader 的場景都需要虛擬機具備類卸載功能，以保證不會出現內存溢出。

5. finalize()

finalize() 類似 C++ 的析構函數，用來做關閉外部資源等工作。但是 try-finally 等方式可以做的更好，並且該方法運行代價高昂，不確定性大，無法保證各個對象的調用順序，因此最好不要使用。

當一個對象可被回收時，如果需要執行該對象的 finalize() 方法，那麽就有可能通過在該方法中讓對象重新被引用，從而實現自救。

垃圾收集算法

1. 標記 - 清除

將需要回收的對象進行標記，然後清理掉被標記的對象。

不足：

• 標記和清除過程效率都不高；
• 會產生大量不連續的內存碎片，導致無法給大對象分配內存。

2. 標記 - 整理

讓所有存活的對象都向一端移動，然後直接清理掉端邊界以外的內存。

3. 復制

將內存劃分為大小相等的兩塊，每次只使用其中一塊，當這一塊內存用完了就將還存活的對象復制到另一塊上面，然後再把使用過的內存空間進行一次清理。

主要不足是只使用了內存的一半。

現在的商業虛擬機都采用這種收集算法來回收新生代，但是並不是將內存劃分為大小相等的兩塊，而是分為一塊較大的 Eden 空間和兩塊較小的 Survior 空間，每次使用 Eden 空間和其中一塊 Survivor。在回收時，將 Eden 和 Survivor 中還存活著的對象一次性復制到另一塊 Survivor 空間上，最後清理 Eden 和使用過的那一塊 Survivor。HotSpot 虛擬機的 Eden 和 Survivor 的大小比例默認為 8:1，保證了內存的利用率達到 90 %。如果每次回收有多於 10% 的對象存活，那麽一塊 Survivor 空間就不夠用了，此時需要依賴於老年代進行分配擔保，也就是借用老年代的空間存儲放不下的對象。

4. 分代收集

現在的商業虛擬機采用分代收集算法，它根據對象存活周期將內存劃分為幾塊，不同塊采用適當的收集算法。

一般將 Java 堆分為新生代和老年代。

• 新生代使用：復制算法
• 老年代使用：標記 - 清理 或者 標記 - 整理 算法

垃圾收集器

以上是 HotSpot 虛擬機中的 7 個垃圾收集器，連線表示垃圾收集器可以配合使用。

1. Serial 收集器

Serial 翻譯為串行，可以理解為垃圾收集和用戶程序交替執行，這意味著在執行垃圾收集的時候需要停頓用戶程序。除了 CMS 和 G1 之外，其它收集器都是以串行的方式執行。CMS 和 G1 可以使得垃圾收集和用戶程序同時執行，被稱為並發執行。

它是單線程的收集器，只會使用一個線程進行垃圾收集工作。

它的優點是簡單高效，對於單個 CPU 環境來說，由於沒有線程交互的開銷，因此擁有最高的單線程收集效率。

它是 Client 模式下的默認新生代收集器，因為在用戶的桌面應用場景下，分配給虛擬機管理的內存一般來說不會很大。Serial 收集器收集幾十兆甚至一兩百兆的新生代停頓時間可以控制在一百多毫秒以內，只要不是太頻繁，這點停頓是可以接受的。

2. ParNew 收集器

它是 Serial 收集器的多線程版本。

是 Server 模式下的虛擬機首選新生代收集器，除了性能原因外，主要是因為除了 Serial 收集器，只有它能與 CMS 收集器配合工作。

默認開始的線程數量與 CPU 數量相同，可以使用 -XX:ParallelGCThreads 參數來設置線程數。

3. Parallel Scavenge 收集器

與 ParNew 一樣是並行的多線程收集器。

其它收集器關註點是盡可能縮短垃圾收集時用戶線程的停頓時間，而它的目標是達到一個可控制的吞吐量，它被稱為“吞吐量優先”收集器。這裏的吞吐量指 CPU 用於運行用戶代碼的時間占總時間的比值。

停頓時間越短就越適合需要與用戶交互的程序，良好的響應速度能提升用戶體驗。而高吞吐量則可以高效率地利用 CPU 時間，盡快完成程序的運算任務，主要適合在後臺運算而不需要太多交互的任務。

提供了兩個參數用於精確控制吞吐量，分別是控制最大垃圾收集停頓時間 -XX:MaxGCPauseMillis 參數以及直接設置吞吐量大小的 -XX:GCTimeRatio 參數（值為大於 0 且小於 100 的整數）。縮短停頓時間是以犧牲吞吐量和新生代空間來換取的：新生代空間變小，垃圾回收變得頻繁，導致吞吐量下降。

還提供了一個參數 -XX:+UseAdaptiveSizePolicy，這是一個開關參數，打開參數後，就不需要手工指定新生代的大小（-Xmn）、Eden 和 Survivor 區的比例（-XX:SurvivorRatio）、晉升老年代對象年齡（-XX:PretenureSizeThreshold）等細節參數了，虛擬機會根據當前系統的運行情況收集性能監控信息，動態調整這些參數以提供最合適的停頓時間或者最大的吞吐量，這種方式稱為 GC 自適應的調節策略（GC Ergonomics）。

4. Serial Old 收集器

是 Serial 收集器的老年代版本，也是給 Client 模式下的虛擬機使用。如果用在 Server 模式下，它有兩大用途：

• 在 JDK 1.5 以及之前版本（Parallel Old 誕生以前）中與 Parallel Scavenge 收集器搭配使用。
• 作為 CMS 收集器的後備預案，在並發收集發生 Concurrent Mode Failure 時使用。

5. Parallel Old 收集器

是 Parallel Scavenge 收集器的老年代版本。

在註重吞吐量以及 CPU 資源敏感的場合，都可以優先考慮 Parallel Scavenge 加 Parallel Old 收集器。

6. CMS 收集器

CMS（Concurrent Mark Sweep），Mark Sweep 指的是標記 - 清除算法。

特點：並發收集、低停頓。並發指的是用戶線程和 GC 線程同時運行。

分為以下四個流程：

• 初始標記：僅僅只是標記一下 GC Roots 能直接關聯到的對象，速度很快，需要停頓。
• 並發標記：進行 GC Roots Tracing 的過程，它在整個回收過程中耗時最長，不需要停頓。
• 重新標記：為了修正並發標記期間因用戶程序繼續運作而導致標記產生變動的那一部分對象的標記記錄，需要停頓。
• 並發清除：不需要停頓。

在整個過程中耗時最長的並發標記和並發清除過程中，收集器線程都可以與用戶線程一起工作，不需要進行停頓。

具有以下缺點：

• 吞吐量低：低停頓時間是以犧牲吞吐量為代價的，導致 CPU 利用率不夠高。
• 無法處理浮動垃圾，可能出現 Concurrent Mode Failure。浮動垃圾是指並發清除階段由於用戶線程繼續運行而產生的垃圾，這部分垃圾只能到下一次 GC 時才能進行回收。由於浮動垃圾的存在，因此需要預留出一部分內存，意味著 CMS 收集不能像其它收集器那樣等待老年代快滿的時候再回收。可以使用 -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction 來改變觸發 CMS 收集器工作的內存占用百分，如果這個值設置的太大，導致預留的內存不夠存放浮動垃圾，就會出現 Concurrent Mode Failure，這時虛擬機將臨時啟用 Serial Old 來替代 CMS。
• 標記 - 清除算法導致的空間碎片，往往出現老年代空間剩余，但無法找到足夠大連續空間來分配當前對象，不得不提前觸發一次 Full GC。

7. G1 收集器

G1（Garbage-First），它是一款面向服務端應用的垃圾收集器，在多 CPU 和大內存的場景下有很好的性能。HotSpot 開發團隊賦予它的使命是未來可以替換掉 CMS 收集器。

Java 堆被分為新生代、老年代和永久代，其它收集器進行收集的範圍都是整個新生代或者老生代，而 G1 可以直接對新生代和永久代一起回收。

G1 把新生代和老年代劃分成多個大小相等的獨立區域（Region），新生代和永久代不再物理隔離。

通過引入 Region 的概念，從而將原來的一整塊內存空間劃分成多個的小空間，使得每個小空間可以單獨進行垃圾回收。這種劃分方法帶來了很大的靈活性，使得可預測的停頓時間模型成為可能。通過記錄每個 Region 記錄垃圾回收時間以及回收所獲得的空間（這兩個值是通過過去回收的經驗獲得），並維護一個優先列表，每次根據允許的收集時間，優先回收價值最大的 Region。

每個 Region 都有一個 Remembered Set，用來記錄該 Region 對象的引用對象所在的 Region。通過使用 Remembered Set，在做可達性分析的時候就可以避免全堆掃描。

如果不計算維護 Remembered Set 的操作，G1 收集器的運作大致可劃分為以下幾個步驟：

• 初始標記
• 並發標記
• 最終標記：為了修正在並發標記期間因用戶程序繼續運作而導致標記產生變動的那一部分標記記錄，虛擬機將這段時間對象變化記錄在線程的 Remembered Set Logs 裏面，最終標記階段需要把 Remembered Set Logs 的數據合並到 Remembered Set 中。這階段需要停頓線程，但是可並行執行。
• 篩選回收：首先對各個 Region 中的回收價值和成本進行排序，根據用戶所期望的 GC 停頓是時間來制定回收計劃。此階段其實也可以做到與用戶程序一起並發執行，但是因為只回收一部分 Region，時間是用戶可控制的，而且停頓用戶線程將大幅度提高收集效率。

具備如下特點：

• 空間整合：整體來看是基於“標記 - 整理”算法實現的收集器，從局部（兩個 Region 之間）上來看是基於“復制”算法實現的，這意味著運行期間不會產生內存空間碎片。
• 可預測的停頓：能讓使用者明確指定在一個長度為 M 毫秒的時間片段內，消耗在 GC 上的時間不得超過 N 毫秒。

更詳細內容請參考：Getting Started with the G1 Garbage Collector

8. 比較

內存分配與回收策略

對象的內存分配，也就是在堆上分配。主要分配在新生代的 Eden 區上，少數情況下也可能直接分配在老年代中。

1. Minor GC 和 Full GC

• Minor GC：發生在新生代上，因為新生代對象存活時間很短，因此 Minor GC 會頻繁執行，執行的速度一般也會比較快。
• Full GC：發生在老年代上，老年代對象和新生代的相反，其存活時間長，因此 Full GC 很少執行，而且執行速度會比 Minor GC 慢很多。

2. 內存分配策略

（一）對象優先在 Eden 分配

大多數情況下，對象在新生代 Eden 區分配，當 Eden 區空間不夠時，發起 Minor GC。

（二）大對象直接進入老年代

大對象是指需要連續內存空間的對象，最典型的大對象是那種很長的字符串以及數組。

經常出現大對象會提前觸發垃圾收集以獲取足夠的連續空間分配給大對象。

-XX:PretenureSizeThreshold，大於此值的對象直接在老年代分配，避免在 Eden 區和 Survivor 區之間的大量內存復制。

（三）長期存活的對象進入老年代

為對象定義年齡計數器，對象在 Eden 出生並經過 Minor GC 依然存活，將移動到 Survivor 中，年齡就增加 1 歲，增加到一定年齡則移動到老年代中。

-XX:MaxTenuringThreshold 用來定義年齡的閾值。

（四）動態對象年齡判定

虛擬機並不是永遠地要求對象的年齡必須達到 MaxTenuringThreshold 才能晉升老年代，如果在 Survivor 區中相同年齡所有對象大小的總和大於 Survivor 空間的一半，則年齡大於或等於該年齡的對象可以直接進入老年代，無需等到 MaxTenuringThreshold 中要求的年齡。

（五）空間分配擔保

在發生 Minor GC 之前，虛擬機先檢查老年代最大可用的連續空間是否大於新生代所有對象總空間，如果條件成立的話，那麽 Minor GC 可以確認是安全的；如果不成立的話虛擬機會查看 HandlePromotionFailure 設置值是否允許擔保失敗，如果允許那麽就會繼續檢查老年代最大可用的連續空間是否大於歷次晉升到老年代對象的平均大小，如果大於，將嘗試著進行一次 Minor GC，盡管這次 Minor GC 是有風險的；如果小於，或者 HandlePromotionFailure 設置不允許冒險，那這時也要改為進行一次 Full GC。

3. Full GC 的觸發條件

對於 Minor GC，其觸發條件非常簡單，當 Eden 區空間滿時，就將觸發一次 Minor GC。而 Full GC 則相對復雜，有以下條件：

（一）調用 System.gc()

此方法的調用是建議虛擬機進行 Full GC，雖然只是建議而非一定，但很多情況下它會觸發 Full GC，從而增加 Full GC 的頻率，也即增加了間歇性停頓的次數。因此強烈建議能不使用此方法就不要使用，讓虛擬機自己去管理它的內存。可通過 -XX:DisableExplicitGC 來禁止 RMI 調用 System.gc()。

（二）老年代空間不足

老年代空間不足的常見場景為前文所講的大對象直接進入老年代、長期存活的對象進入老年代等，當執行 Full GC 後空間仍然不足，則拋出 Java.lang.OutOfMemoryError。為避免以上原因引起的 Full GC，調優時應盡量做到讓對象在 Minor GC 階段被回收、讓對象在新生代多存活一段時間以及不要創建過大的對象及數組。

（三）空間分配擔保失敗

使用復制算法的 Minor GC 需要老年代的內存空間作擔保，如果出現了 HandlePromotionFailure 擔保失敗，則會觸發 Full GC。

（四）JDK 1.7 及以前的永久代空間不足

在 JDK 1.7 及以前，HotSpot 虛擬機中的方法區是用永久代實現的，永久代中存放的為一些 Class 的信息、常量、靜態變量等數據，當系統中要加載的類、反射的類和調用的方法較多時，永久代可能會被占滿，在未配置為采用 CMS GC 的情況下也會執行 Full GC。如果經過 Full GC 仍然回收不了，那麽虛擬機會拋出 java.lang.OutOfMemoryError，為避免以上原因引起的 Full GC，可采用的方法為增大永久代空間或轉為使用 CMS GC。

（五）Concurrent Mode Failure

執行 CMS GC 的過程中同時有對象要放入老年代，而此時老年代空間不足（有時候“空間不足”是 CMS GC 時當前的浮動垃圾過多導致暫時性的空間不足觸發 Full GC），便會報 Concurrent Mode Failure 錯誤，並觸發 Full GC。

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深入理解JVM垃圾收集機制，下次面試你準備好了嗎