Java内存回收机制

写在前面

在Java中，它的内存管理包括两方面：内存分配(创建Java对象的时候)和内存回收，这两方面工作都是由JVM自动完成的，降低了Java程序员的学习难度，避免了像C/C++直接操作内存的危险。但是，也正因为内存管理完全由JVM负责，所以也使Java很多程序员不再关心内存分配，导致很多程序低效，耗内存。因此就有了Java程序员到最后应该去了解JVM，才能写出更高效，充分利用有限的内存的程序。

1.Java在内存中的状态

// Person.java
package test;
import java.io.Serializable;
public class Person implements Serializable {
    static final long serialVersionUID = 1L;
    String name; // 姓名
    Person friend; // 朋友
    public Person() {}
    public Person(String name) {
        super();
        this.name = name;
    }
}

// Test.java
package test;
public class Test{
    public static void main(String[] args) {
        Person p1 = new Person("Kevin");
        Person p2 = new Person("Rain");
        Person p3 = new Person("Sunny");
        p1.friend = p2;
        p3 = p2;
        p2 = null;
    }
}

把上面Test.java中main方面里面的对象引用画成一个从main方法开始的对象引用图的话就是这样的(顶点是对象和引用，有向边是引用关系)：

当程序运行起来之后，把它在内存中的状态看成是有向图后，可以分为三种：

1)可达状态：在一个对象创建后，有一个以上的引用变量引用它。在有向图中可以从起始顶点导航到该对象，那它就处于可达状态。

2)可恢复状态：如果程序中某个对象不再有任何的引用变量引用它，它将先进入可恢复状态，此时从有向图的起始顶点不能再导航到该对象。在这个状态下，系统的垃圾回收机制准备回收该对象的所占用的内存，在回收之前，系统会调用finalize()方法进行资源清理，如果资源整理后重新让一个以上引用变量引用该对象，则这个对象会再次变为可达状态，否则就会进入不可达状态。

3)不可达状态：当对象的所有关联都被切断，且系统调用finalize()方法进行资源清理后依旧没有使该对象变为可达状态，则这个对象将永久性失去引用并且变成不可达状态，系统才会真正的去回收该对象所占用的资源。

    上述三种状态的转换图如下：
   

 

2.Java引用对象的4种方式

1)强引用：创建一个对象并把这个对象直接赋给一个变量，eg ：Person person = new Person("sunny"); 不管系统资源多么的紧张，强引用的对象都绝对不会被回收，即使它以后再也不会被用到。

2)软引用：通过SoftReference类实现，eg : SoftReference p = new SoftReference(new Person("Rain"));内存非常紧张的时候会被回收，其他时候不会被回收，所以在使用之前要判断是否为null从而判断他是否已经被回收了。

3)弱引用：通过WeakReference类实现，eg : WeakReference p = new WeakReference(new Person("Rain"));不管内存是否足够，系统垃圾回收时必定会回收。

4)虚引用：不能单独使用，主要是用于追踪对象被垃圾回收的状态。通过PhantomReference类和引用队列ReferenceQueue类联合使用实现，eg ：

package test;

import java.lang.ref.PhantomReference;
import java.lang.ref.ReferenceQueue;

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个对象
        Person person = new Person("Sunny");

        // 创建一个引用队列
        ReferenceQueue<Person> rq = new ReferenceQueue<Person>();

        // 创建一个虚引用，让此虚引用引用到person对象
        PhantomReference<Person> pr = new PhantomReference<Person>(person, rq);

        // 切断person引用变量和对象的引用
        person = null;

        // 试图取出虚引用所引用的对象
        // 发现程序并不能通过虚引用访问被引用对象，所以此处输出为null
        System.out.println(pr.get());

        // 强制垃圾回收
        System.gc();
        System.runFinalization();

        // 因为一旦虚引用中的对象被回收后，该虚引用就会进入引用队列中
        // 所以用队列中最先进入队列中引用与pr进行比较，输出true
        System.out.println(rq.poll() == pr);
    }
}

经验证，运行结果：

3.Java垃圾回收机制

其实Java垃圾回收主要做的是两件事：1) 内存回收，2) 碎片整理。

3.1垃圾回收算法
1)串行回收(只用一个CPU)和并行回收(多个CPU才有用)：串行回收是不管系统有多少个CPU，始终只用一个CPU来执行垃圾回收操作，而并行回收就是把整个回收工作拆分成多个部分，每个部分由一个CPU负责，从而让多个CPU并行回收。并行回收的执行效率很高，但复杂度增加，另外也有一些副作用，如内存碎片增加。

2)并发执行和应用程序停止 ：应用程序停止(Stop-the-world)顾名思义，其垃圾回收方式在执行垃圾回收的同时会导致应用程序的暂停。并发执行的垃圾回收虽然不会导致应用程序的暂停，但由于并发执行垃圾需要解决和应用程序的执行冲突(应用程序可能在垃圾回收的过程修改对象)，因此并发执行垃圾回收的系统开销比Stop-the-world高，而且执行时需要更多的堆内存。

3)压缩和不压缩和复制 ：

①支持压缩的垃圾回收器(标记-压缩 = 标记清除+压缩)会把所有的可达对象搬迁到一端，然后直接清理掉端边界以外的内存，减少了内存碎片。

②不压缩的垃圾回收器(标记-清除)要遍历两次，第一次先从根开始访问所有可达对象，并将他们标记为可达状态，第二次遍历整个内存区域，对未标记可达状态的对象进行回收处理。这种回收方式不压缩，不需要额外内存，但要两次遍历，会产生碎片。

③复制式的垃圾回收器：将堆内存分成两个相同空间，从根(类似于前面的有向图起始顶点)开始访问每一个关联的可达对象，将空间A的全部可达对象复制到空间B，然后一次性回收空间A。对于该算法而言，因为只需访问所有的可达对象，将所有的可达对象复制走之后就直接回收整个空间，完全不用理会不可达对象，所以遍历空间的成本较小，但需要巨大的复制成本和较多的内存。

3.2堆内存的分代回收
1)分代回收的依据：

①对象生存时间的长短：大部分对象在Young期间就被回收

②不同代采取不同的垃圾回收策略：新(生存时间短)老(生存时间长)对象之间很少存在引用

2) 堆内存的分代：

①Young代 ：

Ⅰ回收机制 ：因为对象数量少，所以采用复制回收。

Ⅱ组成区域 ：由1个Eden区和2个Survivor区构成，同一时间的两个Survivor区，一个用来保存对象，另一个是空的;每次进行Young代垃圾回收的时候，就把Eden，From中的可达对象复制到To区域中，一些生存时间长的就复制到了老年代，接着清除Eden，From空间，最后原来的To空间变为From空间，原来的From空间变为To空间。

Ⅲ对象来源 ：绝大多数对象先分配到Eden区，一些大的对象会直接被分配到Old代中。

Ⅳ回收频率 ：因为Young代对象大部分很快进入不可达状态，因此回收频率高且回收速度快。

②Old代 ：

Ⅰ回收机制 ：采用标记压缩算法回收。

Ⅱ对象来源 ：

    1.对象大直接进入老年代。

    2.Young代中生存时间长的可达对象

Ⅲ回收频率 ：因为很少对象会死掉，所以执行频率不高，而且需要较长时间来完成。

③Permanent代 ：

Ⅰ用途 ：用来装载Class，方法等信息，默认为64M，不会被回收

Ⅱ对象来源 ：eg：对于像Hibernate，Spring这类喜欢AOP动态生成类的框架，往往会生成大量的动态代理类，因此需要更多的Permanent代内存。所以我们经常在调试Hibernate，Spring的时候经常遇到java.lang.OutOfMemoryError:PermGen space的错误，这就是Permanent代内存耗尽所导致的错误。

Ⅲ回收频率 ：不会被回收

3.3常见的垃圾回收器
在此之前，我们先讲一下下面将会涉及到的并发和并行两个词的解释：

1)并行：指多条垃圾收集线程并行工作，但此时用户线程仍然处于等待状态;

2)并发：指用户线程与 垃圾收集线程同时执行(但不一定是并行的，可能会交替执行)，用户程序继续执行，而垃圾收集程序运行于另一个CPU上。

好啦，继续讲垃圾回收器：

1)串行回收器(只使用一个CPU)：Young代采用串行复制算法;Old代使用串行标记压缩算法(三个阶段：标记mark—清除sweep—压缩compact)，回收期间程序会产生暂停。

2)并行回收器：对Young代采用的算法和串行回收器一样，只是增加了多CPU并行处理; 对Old代的处理和串行回收器完全一样，依旧是单线程。

3)并行压缩回收器：对Young代处理采用与并行回收器完全一样的算法;只是对Old代采用了不同的算法，其实就是划分不同的区域，然后进行标记压缩算法：

① 将Old代划分成几个固定区域;

② mark阶段(多线程并行)，标记可达对象;

③ summary阶段(串行执行)，从最左边开始检验知道找到某个达到数值(可达对象密度小)的区域时，此区域及其右边区域进行压缩回收，其左端为密集区域

④ compact阶段(多线程并行)，识别出需要装填的区域，多线程并行的把数据复制到这些区域中。经此过程后，Old代一端密集存在大量活动对象，另一端则存在大块空间。

4)并发标识—清理回收(CMS)：对Young代处理采用与并行回收器完全一样的算法;只是对Old代采用了不同的算法，但归根待地还是标记清理算法：

① 初始标识(程序暂停)：标记被直接引用的对象(一级对象);

② 并发标识(程序运行)：通过一级对象寻找其他可达对象;

③ 再标记(程序暂停)：多线程并行的重新标记之前可能因为并发而漏掉的对象(简单的说就是防遗漏)

④ 并发清理(程序运行)

4.内存管理小技巧

1) 尽量使用直接量，eg：String javaStr = "小学徒的成长历程";

2) 使用StringBuilder和StringBuffer进行字符串连接等操作;

3) 尽早释放无用对象;

4) 尽量少使用静态变量;

5) 缓存常用的对象:可以使用开源的开源缓存实现，eg：OSCache，Ehcache;

6) 尽量不使用finalize()方法;

7) 在必要的时候可以考虑使用软引用SoftReference。

原文：http://blog.nicerdata.com/archives/1044