1 判断对象是否存活

• 引用计数算法
  给对象中添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器值就加1；当引用失效时，计数器值就减1；任何时刻计数器为0的对象就是不可能再被引用的。主流的Java虚拟机里面没有选用引用计数算法来管理内存，其中最主要的原因是它很难解决对象之间相互循环引用的问题。
• 可达性分析算法
  在主流的商用程序语言的主流实现中，都是通过可达性分析来判定对象是否存活。这个算法的基本思想就是通过一系列的称为“GC Roots”的对象作为起始点，从这些节点开始向下搜索，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。
  在Java语言中，可作为GC Roots的对象包括：
  （1）虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象。
  （2）方法区中的类静态属性引用的对象。
  （3）方法区中的常量引用的对象。
  （4）本地方法栈中JNI（即一般说的Native方法）的引用对象。

2 四种引用

• 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，垃圾收集器永远不会回收掉被引用的对象。

public class StrongReferenceTest {

    public static int M = 1024 * 1024;

    public static void printlnMemory(String tag) {
        Runtime runtime = Runtime.getRuntime();
        int M = StrongReferenceTest.M;
        System.out.println("\n" + tag + ":");
        System.out.println(runtime.freeMemory() / M + "M(free)/" + runtime.totalMemory() / M + "M(total)");
    }

    public static void main(String[] args) {
        StrongReferenceTest.printlnMemory("1.原可用内存和总内存");
        // 实例化10M的数组，和strongReference建立强引用
        byte[] strongReference = new byte[10 * StrongReferenceTest.M];
        StrongReferenceTest.printlnMemory("2.实例化10M的数组，建立强引用");
        System.out.println("strongReference : " + strongReference);
        System.gc();
        StrongReferenceTest.printlnMemory("3.GC之后");
        System.out.println("strongReference : " + strongReference);
        // 断开强引用
        strongReference = null;
        StrongReferenceTest.printlnMemory("4.断开强引用");
        System.out.println("strongReference : " + strongReference);
        System.gc();
        StrongReferenceTest.printlnMemory("5.GC之后");
        System.out.println("strongReference : " + strongReference);
    }

}

1.原可用内存和总内存:
14M(free)/15M(total)

2.实例化10M的数组，建立强引用:
4M(free)/15M(total)
strongReference : [B@1b6d3586

3.GC之后:
4M(free)/15M(total)
strongReference : [B@1b6d3586

4.断开强引用:
4M(free)/15M(total)
strongReference : null

5.GC之后:
14M(free)/15M(total)
strongReference : null

• 软引用
  软引用是用来描述一些还有用但并非必需的对象。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。如果这次回收还没有足够的内存，才会抛出内存溢出异常。在JDK1.2之后，提供了SoftReference类来实现软引用。

public class SoftReferenceTest {

    public static int M = 1024 * 1024;

    public static void printlnMemory(String tag) {
        Runtime runtime = Runtime.getRuntime();
        int M = StrongReferenceTest.M;
        System.out.println("\n" + tag + ":");
        System.out.println(runtime.freeMemory() / M + "M(free)/" + runtime.totalMemory() / M + "M(total)");
    }


    public static void main(String[] args) {
        SoftReferenceTest.printlnMemory("1.原可用内存和总内存");
        //建立软引用
        SoftReference<Object> softReference = new SoftReference<>(new byte[10 * SoftReferenceTest.M]);
        SoftReferenceTest.printlnMemory("2.实例化10M的数组，建立软引用");
        System.out.println("softReference.get() : " + softReference.get());
        System.gc();
        SoftReferenceTest.printlnMemory("3.内存可用容量充足，GC后");
        System.out.println("softReference.get() : " + softReference.get());
        // 实例化一个4M的数组，使内存不够用，建立软引用
        // GC后10M的数组被回收
        SoftReference<Object> softReference2 = new SoftReference<>(new byte[4 * SoftReferenceTest.M]);
        SoftReferenceTest.printlnMemory("4.实例化4M的数组，建立软引用");
        System.out.println("softReference.get() : " + softReference.get());
        System.out.println("softReference2.get() : " + softReference2.get());
    }

}

1.原可用内存和总内存:
14M(free)/15M(total)

2.实例化10M的数组，建立软引用:
4M(free)/15M(total)
softReference.get() : [B@1b6d3586

3.内存可用容量充足，GC后:
4M(free)/15M(total)
softReference.get() : [B@1b6d3586

4.实例化4M的数组，建立软引用:
10M(free)/15M(total)
softReference.get() : null
softReference2.get() : [B@4554617c

• 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。当垃圾收集器工作时，无论当前内存是否足够，都会回收掉只被弱引用关联的对象。在JDK1.2之后，提供了WeakReference类来实现弱引用。

public class WeakReferenceTest {

    public static int M = 1024 * 1024;

    public static void printlnMemory(String tag) {
        Runtime runtime = Runtime.getRuntime();
        int M = WeakReferenceTest.M;
        System.out.println("\n" + tag + ":");
        System.out.println(runtime.freeMemory() / M + "M(free)/" + runtime.totalMemory() / M + "M(total)");
    }


    public static void main(String[] args) {
        WeakReferenceTest.printlnMemory("1.原可用内存和总内存");
        //创建弱引用
        WeakReference<Object> weakReference = new WeakReference<Object>(new byte[10 * WeakReferenceTest.M]);
        WeakReferenceTest.printlnMemory("2.实例化10M的数组，并建立弱引用");
        System.out.println("weakReference.get() : " + weakReference.get());
        System.gc();
        StrongReferenceTest.printlnMemory("3.GC后");
        System.out.println("weakReference.get() : " + weakReference.get());
    }

}

1.原可用内存和总内存:
14M(free)/15M(total)

2.实例化10M的数组，并建立弱引用:
4M(free)/15M(total)
weakReference.get() : [B@1b6d3586

3.GC后:
14M(free)/15M(total)
weakReference.get() : null

• 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实例。为一个对象设置虚引用关联的唯一目的就是能在这个对象被收集器回收时收到一个系统通知。在JDK1.2之后，提供了PhantomReference类来实现虚引用。

public class PhantomReferenceTest {

    public static int M = 1024 * 1024;

    public static void printlnMemory(String tag) {
        Runtime runtime = Runtime.getRuntime();
        int M = PhantomReferenceTest.M;
        System.out.println("\n" + tag + ":");
        System.out.println(runtime.freeMemory() / M + "M(free)/" + runtime.totalMemory() / M + "M(total)");
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        PhantomReferenceTest.printlnMemory("1.原可用内存和总内存");
        byte[] object = new byte[10 * PhantomReferenceTest.M];
        PhantomReferenceTest.printlnMemory("2.实例化10M的数组后");
        // 建立虚引用
        ReferenceQueue<Object> referenceQueue = new ReferenceQueue<>();
        PhantomReference<Object> phantomReference = new PhantomReference<>(object, referenceQueue);
        PhantomReferenceTest.printlnMemory("3.建立虚引用后");
        System.out.println("phantomReference : " + phantomReference);
        System.out.println("phantomReference.get() : " + phantomReference.get());
        System.out.println("referenceQueue.poll() : " + referenceQueue.poll());
        // 断开强引用
        object = null;
        PhantomReferenceTest.printlnMemory("4.执行object = null;强引用断开后");
        System.gc();
        PhantomReferenceTest.printlnMemory("5.GC后");
        System.out.println("phantomReference : " + phantomReference);
        System.out.println("phantomReference.get() : " + phantomReference.get());
        System.out.println("referenceQueue.poll() : " + referenceQueue.poll());
        //断开虚引用
        phantomReference = null;
        System.gc();
        PhantomReferenceTest.printlnMemory("6.断开虚引用后GC");
        System.out.println("phantomReference : " + phantomReference);
        System.out.println("referenceQueue.poll() : " + referenceQueue.poll());
    }

}

1.原可用内存和总内存:
14M(free)/15M(total)

2.实例化10M的数组后:
4M(free)/15M(total)

3.建立虚引用后:
4M(free)/15M(total)
phantomReference : java.lang.ref.PhantomReference@1b6d3586
phantomReference.get() : null
referenceQueue.poll() : null

4.执行object = null;强引用断开后:
4M(free)/15M(total)

5.GC后:
4M(free)/15M(total)
phantomReference : java.lang.ref.PhantomReference@1b6d3586
phantomReference.get() : null
referenceQueue.poll() : java.lang.ref.PhantomReference@1b6d3586

6.断开虚引用后GC:
14M(free)/15M(total)
phantomReference : null
referenceQueue.poll() : null

• 引用队列（referenceQueue）
  无实际存储结构，存储逻辑依赖于内部节点之间的关系来表达。
  存储关联的并且被GC的软引用、弱引用和虚引用。

3 finalize方法

即使在可达性分析算法中不可达的对象，也并非是“非死不可”的，这时候它们暂时处于“缓刑”阶段，要真正宣告一个对象死亡，至少要经历两次标记过程：如果对象在进行可达性分析后发现没有与GC Roots相连接的引用链，那它将会被第一次标记并且进行一次筛选，筛选的条件是此对象是否有必要执行finalize()方法。当对象没有覆盖finalize()方法，或者finalize()方法已经被虚拟机调用过，虚拟机将这两种情况都视为“没有必要执行”。

如果这个对象被判定为有必要执行finalize()方法，那么这个对象将会放置在一个叫做F-Queue的队列之中，并在稍后由一个由虚拟机自动建立的、低优先级的Finalizer线程去执行它。这里所谓的“执行”是指虚拟机会触发这个方法，但并不承诺会等待它运行结束，这样做的原因是，如果一个对象在finalize()方法中执行缓慢，或者发生了死循环（更极端的情况），将很可能会导致F-Queue队列中其他对象永久处于等待，甚至导致整个内存回收系统崩溃。finalize()方法是对象逃脱死亡命运的最后一次机会，稍后GC将对F-Queue中的对象进行第二次小规模的标记，如果对象要在finalize()中成功拯救自己——只要重新与引用链上的任何一个对象建立关联即可，譬如把自己（this关键字）赋值给某个类变量或者对象的成员变量，那在第二次标记时它将被移除出“即将回收”的集合；如果对象这时候还没有逃脱，那基本上它就真的被回收了。

public class FinalizeEscapeGC {

    public static FinalizeEscapeGC SAVE_HOOK = null;

    public void isAlive() {
        System.out.println("yes, i am still alive");
    }

    @Override
    protected void finalize() throws Throwable {
        super.finalize();
        System.out.println("finalize method executed!");
        FinalizeEscapeGC.SAVE_HOOK = this;// 这里的this是指已经进入F-Queue的那个FinalizeEscapeGC对象
        System.out.println(SAVE_HOOK);
    }

}

public class FinalizeEscapeGCTest {

    public static void main(String[] args) throws Throwable {
        FinalizeEscapeGC.SAVE_HOOK = new FinalizeEscapeGC();
        System.out.println(FinalizeEscapeGC.SAVE_HOOK);
        // 对象第一次成功拯救自己
        FinalizeEscapeGC.SAVE_HOOK = null;
        System.gc();
        // 因为finalize方法优先级很低，所以暂停0.5秒以等待它
        Thread.sleep(500);
        if (FinalizeEscapeGC.SAVE_HOOK != null) {
            FinalizeEscapeGC.SAVE_HOOK.isAlive();
        } else {
            System.out.println("no, i am dead");
        }
        // 下面这段代码与上面的完全相同，但是这次自救却失败了
        FinalizeEscapeGC.SAVE_HOOK = null;
        System.gc();
        // 因为finalize方法优先级很低，所以暂停0.5秒以等待它
        Thread.sleep(500);
        if (FinalizeEscapeGC.SAVE_HOOK != null) {
            FinalizeEscapeGC.SAVE_HOOK.isAlive();
        } else {
            System.out.println("no, i am dead");
        }
    }
}

FinalizeEscapeGC@1b6d3586
finalize method executed!
FinalizeEscapeGC@1b6d3586
yes, i am still alive
no, i am dead

任何一个对象的finalize()方法都只会被系统自动调用一次，如果对象面临下一次回收，它的finalize()方法不会被再次执行，因此第二段代码的自救行动失败了。

我们应该尽量避免使用finalize()方法。

4 回收方法区

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堆中的对象非常类似。以常量池中字面量的回收为例，假如一个字符串“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，换句话说，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。常量池中的其他类（接口）、方法、字段的符号引用也与此类似。

判定一个常量是否是“废弃常量”比较简单，而要判定一个类是否是“无用的类”的条件则相对苛刻许多。类需要同时满足下面3个条件才能算是“无用的类”：
（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。
虚拟机可以对满足上述3个条件的无用类进行回收，这里说的仅仅是“可以”，而并不是和对象一样，不使用了就必然会回收。

在大量使用反射、动态代理、CGLib等ByteCode框架、动态生成JSP以及OSGi这类频繁自定义ClassLoader的场景都需要虚拟机具备类卸载的功能，以保证永久代不会溢出。

5 垃圾收集算法

• 标记-清除算法
  
  标记-清除算法示意图
  
  标记-清除算法分为两个阶段：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。它的主要不足有两个：一个是效率问题，标记和清除两个过程的效率都不高；另一个是空间问题，标记清除之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
  
  复制算法示意图
  
  复制算法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。这种算法的代价是将内存缩小为了原来的一半，未免太高了一点。
  
  Eden-Survivor空间的复制算法示意图
  
  现在的商业虚拟机都采用这种收集算法来回收新生代。虚拟机将内存分为一块较大的Eden空间和两块较小的Survivor空间，每次使用Eden空间和其中一块Survivor。当回收时，将Eden和Survivor中还存活着的对象一次性地复制到另外一块Survivor空间上，最后清理掉Eden和刚才用过地Survivor空间。HotSpot虚拟机默认Eden和Survivor的大小比例是8:1，也就是每次新生代中可用内存空间为整个新生代容量的90%，只有10%的内存会被“浪费”。
  我们没有办法保证每次回收都只有不多于10%的对象存活，当Survivor空间不够用时，需要依赖老年代进行分配担保。即如果另外一块Survivor空间没有足够空间存放上一次新生代收集下来的存活对象时，这些对象将直接通过分配担保机制进入老年代。
• 标记-整理算法
  
  标记整理算法
  
  复制收集算法在对象存活率较高时就要进行较多的复制操作，效率将会变低。更关键的是，如果不想浪费50%的空间，就需要有额外的空间进行分配担保，以应对被使用的内存中所有对象100%都存活的极端情况，所以在老年代一般不能直接选用这种算法。
  根据老年代的特点，有人提出了另外一种“标记-整理”算法，标记过程与“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，然后直接清理掉端边界以外的内存。
• 分代收集算法
  当前商业虚拟机的垃圾收集都采用“分代收集”算法，这种算法并没有什么新的思想，只是根据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。