GC相关概念 #
一、什么是垃圾 #
垃圾是指在 运行程序中没有任何指针指向的对象，这个对象就是需要被回收的垃圾
如果不及时对内存中的垃圾进行清理，那么，这些垃圾对象所占的内存空间会一直保留到应用程序结束，被保留的空间无法被其他对象使用。甚至可能导致 内存溢出
二、为什么需要GC #
想要学习GC，首先需要理解为什么需要GC？
- 对于高级语言来说，一个基本认知是如果不进行垃圾回收， 内存迟早都会被消耗完，因为不断地分配内存空间而不进行回收，就好像不停地生产生活垃圾而从来不打扫一样
- 除了释放没用的对象，垃圾回收也可以清除内存里的记录碎片。碎片整理将所占用的堆内存移到堆的一端，以便 JVM将整理出的内存分配给新的对象
- 随着应用程序所应付的业务越来越庞大、复杂、用户越来越多， 没有GC就不能保证应用程序的正常进行。而经常造成STW的GC又跟不上实际的需求，所以才会不断地尝试对GC进行优化
三、应该关心哪些区域的回收 #
- 垃圾回收器可以对年轻代回收，也可以对老年代回收，甚至是全堆和方法区的回收
- 其中， Java堆是垃圾收集器的工作重点
- 从次数上讲
- 频繁收集Young区
- 较少收集Old区
- 基本不动Perm区(元空间)
四、相关概念 #
1、System.gc()的理解 #
- 在默认情况下，通过 System.gc()或者 Runtime.getRuntime().gc()的调用， 会显式触发Full GC，同时对老年代和新生代进行回收，尝试释放被丢弃对象占用的内存
- 然而System.gc()调用附带一个免责声明，无法保证对垃圾收集器的调用
- JVM实现者可以通过System.gc()调用来决定JVM的GC行为。而一般情况下，垃圾回收应该是自动进行的， 无须手动触发，否则就太过于麻烦了。在一些特殊情况下，如我们正在编写一个性能基准，我们可以在运行之间调用 System.gc()
2、内存溢出与内存泄漏 #
内存溢出 #
内存溢出相对于内存泄漏来说，尽管更容易被理解，但是同样的，内存溢出也是引发程序崩溃的罪魁祸首之一
由于GC一直在发展，所有一般情况下，除非应用程序占用的内存增长速度非常快，造成垃圾回收已经跟不上内存消耗的速度，否则不太容易出现OOM的情况
大多数情况下，GC会进行各种年龄段的垃圾回收，实在不行了就放大招，来一次Full GC操作，这时候会回收大量的内存，供应用程序继续使用
javadoc中对OutOfMemoryError的解释是， 没有空闲内存，并且垃圾收集器也无法提供更多内存
- 这里面隐含着一层意思是，在抛出OutOfMemoryError之前，垃圾收集器会被触发，尽其所能去清理出空间
- 例如：在引用机制分析中，涉及到JVM会去尝试 回收软引用指向的对象等
- 在java.nio.Bits.reserveMemory()法中，我们能清楚的看到， System.gc()会被调用，以清理空间
- 当然，也不是在任何情况下垃圾收集器都会被触发的
- 比如，我们去分配一个超大对象，类似一个超大数组超过堆的最大值，JVM可以判断出垃圾收集并不能解决这个问题，所以直接抛出 OutOfMemoryError
内存泄漏 #
也称作“存储渗漏”。 严格来说，只有对象不会再被程序用到了，但是GC又不能回收他们的情况，才叫内存泄漏
但实际情况很多时候一些不太好的实践（或疏忽）会导致对象的生命周期变得很长甚至导致OOM，也可以叫做宽泛意义上的“内存泄漏”
尽管内存泄漏并不会立刻引起程序崩溃，但是一旦发生内存泄漏，程序中的可用内存就会被逐步蚕食，直至耗尽所有内存，最终出现 OutOfMemoryError异常，导致程序崩溃
举例：
- 单例模式
- 单例的生命周期和应用程序是一样长的，所以单例程序中，如果持有对外部对象的引用的话，那么这个外部对象是不能被回收的，则会导致内存泄漏的产生
- 一些提供close的资源未关闭导致内存泄漏
- 数据库连接（dataSourse.getConnection()），网络连接（socket）和io连接必须手动close，否则是不能被回收的
3、Stop The World(STW) #
Stop The World，简称STW，指的是GC事件发生过程中，会产生应用程序的停顿。 停顿产生时整个应用程序线程都会被暂停，没有任何响应，有点像卡死的感觉
比如：可达性分析算法（详见 GC算法介绍）中枚举根节点（GC Roots）会导致所有Java执行线程停顿
- 分析工作必须在一个能确保一致性的快照中进行
- 一致性指整个分析期间整个执行系统看起来像被冻结在某个时间点上
- 如果出现分析过程中对象引用关系还在不断变化，则分析结果的准确性无法保证
被STW中断的应用程序线程会在完成GC之后恢复，频繁中断会让用户感觉像是网速不快造成电影卡带一样， 所以我们需要减少STW的发生
STW事件和采用哪款GC无关，所有的GC都有这个事件
哪怕是G1也不能完全避免Stop The World情况发生，只能说垃圾回收器越来越优秀，回收效率越来越高，尽可能地缩短了暂停时间
STW是JVM在 后台自动发起和自动完成的。在用户不可见的情况下，把用户正常的工作线程全部停掉
开发中不要用System.gc()（性能基准测试的时候采用），会导致Stop The World的发生
4、垃圾回收的并行与并发 #
并发（Concurrent） #
并发是指 一个时间段中有几个程序都处于已启动运行到运行完毕之间，且这几个程序都是在同一个处理器上运行
并发不是真正意义上的“同时进行”，只是CPU把一个时间段划分成几个时间片段（时间区间），然后在这几个时间区间之间来回切换，由于CPU处理的速度非常快，只要时间间隔处理得当，即可让用户感觉是多个应用程序同时在进行
上图描述了单核CPU的并发处理
并行（Parallel） #
系统有多个CPU，当一个CPU执行一个进程时，另一个CPU可以执行另一个进程，两个进程互不抢占CPU资源，可以同时进行，我们称之为并行（Parallel）
其实决定并行的因素不是CPU的数量，而是CPU的核心数量，比如一个CPU多个核也可以并行
适合科学计算，后台处理等弱交互场景
上图描述了多核CPU的并行处理
并发 VS 并行 #
并发，指的是多个事情，在 同一时间段内同时发生了
并行，指的是多个事情，在 同一时间点上同时发生了
并发的多个任务之间是互相抢占资源的
并行的多个任务之间是不互相抢占资源的
只有在多CPU或者一个CPU多核的情况中，才会发生并行。否则，看似同时发生的事情，其实都是并发执行的
垃圾回收的并发与并行 #
这里加入串行进行对照
- 并行（Parallel）：指多条垃圾收集线程并行工作，但此时用户线程仍处于等待状态
- 如 ParNew、 Parallel Scavenge、 Parallel Old 垃圾回收器
- 串行（Serial）：相较于并行的概念，单线程执行。如果内存不够，则程序暂停，启动JVM垃圾回收器进行垃圾回收。回收完，再启动程序的线程
- 如 Serial 垃圾回收器
- 并发（Concurrent）：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），垃圾回收线程在执行时不会停顿用户程序的运行
- 如：CMS、G1 垃圾回收器
5、安全点与安全区域 #
安全点（Safe Point） #
程序执行时并非在所有地方都能停顿下来开始GC，只有在特定的位置才能停顿下来开始GC，这些位置称为“安全点（Safe Point）”
Safe Point的选择很重要， 如果太少可能导致GC等待的时间太长，如果太频繁可能导致运行时的性能问题。大部分指令的执行时间都非常短暂，通常会根据“ 是否具有让程序长时间执行的特征”为标准。比如：选择一些执行时间较长的指令作为 Safe Point，如方法调用、循环跳转和异常跳转等
如何在GC发生时，检查所有线程都跑到最近的安全点停顿下来呢？
- 抢先式中断：（目前没有虚拟机采用了）
首先中断所有线程。如果还有线程不在安全点，就恢复线程，让线程跑到安全点
- 主动式中断：
设置一个中断标志，各个线程运行到Safe Point的时候主动轮询这个标志，如果中断标志为真，则将自己进行中断挂起
安全区域（Safe Region） #
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？例如线程处于Sleep状态或Blocked状态，这时候线程无法响应JVM的中断请求，“走”到安全点去中断挂起，JVM也不太可能等待线程被唤醒。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中，对象的引用关系不会发生变化，在这个区域中的任何位置开始GC都是安全的。我们也可以把 Safe Region 看做是被扩展了的 Safe Point
实际执行时：
1、当线程运行到 Safe Region 的代码时，首先标识已经进入了 Safe Region，如果这段时间内发生GC，JVM会忽略标识为 Safe Region 状态的线程
2、当线程即将离开 Safe Region 时，会检查JVM是否已经完成GC，如果完成了，则继续运行，否则线程必须等待直到收到可以安全离开 Safe Region 的信号为止
6、引用 #
我们希望能描述这样一类对象：当内存空间还足够时，则能保留在内存中；如果内存空间在进行垃圾收集后还是很紧张，则可以抛弃这些对象
在JDK1.2版之后，Java对引用的概念进行了扩充，将引用分为强引用（Strong Reference）、软引用（Soft Reference）、弱引用（Weak Reference）和虚引用（Phantom Reference）4种， 这4种引用强度依次逐渐减弱
除强引用外，其他3种引用均可以在java.lang.ref包中找到它们的身影
Reference子类中只有终结器引用是包内可见的，其他3种引用类型均为 public，可以在应用程序中直接使用
强引用（Strong Reference）：最传统的“引用”的定义，是指在程序代码之中普遍存在的引用赋值，即类似 Object obj = new Object() 这种引用关系。 无论任何情况下，只要强引用关系还存在，垃圾收集器就永远不会回收掉被引用的对象
软引用（Soft Reference）：在系统将要发生内存溢出之前，将会把这些对象列入回收范围之中进行第二次回收。如果这次回收后还没有足够的内存，才会抛出内存溢出异常
弱引用（Weak Reference）：被弱引用关联的对象只能生存到下一次垃圾收集之前。当垃圾收集器工作时，无论内存空间是否足够，都会回收掉被弱引用关联的对象
虚引用（Phantom Reference）：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获得一个对象的实例。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
强引用（Strong Reference） - 不回收 #
在Java程序中，最常见的引用类型是强引用（ 普通系统百分之99以上的都是强引用），也就是我们最常见的普通对象引用， 也是默认的引用类型
当在Java语言中使用new操作符创建一个新的对象，并将其赋值给一个变量的时候，这个变量就成为指向该对象的一个强引用
强引用的对象是可触及的，垃圾收集器就永远不会回收掉被引用的对象
对于一个普通的对象，如果没有其他的引用关系，只要超过了引用的作用域或者显式地将相应（强）引用赋值为null，就是可以当作垃圾被收集了，当然具体回收时机还是要看垃圾收集策略
相对的，软引用、弱引用和虚引用的对象是软可触及、弱可触及和虚可触及的，在一定条件下，都是可以被回收的。所以， 强引用是造成Java内存泄漏的主要原因之一
软引用（Soft Reference） - 内存不足就回收 #
软引用是用来描述一些还有用，但非必需的对象。 只被软引用关联着的对象，在系统将要发生内存溢出异常前，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。所以： 内存溢出和软引用没啥关系
软引用通常用来实现内存敏感的缓存。比如： 高速缓存就可能有用到软引用。如果还有空闲内存，就可以暂时保留缓存，当内存不足时清理掉，这样就保证了使用缓存的同时，不会耗尽内存。
垃圾回收器在某个时刻决定回收软可达的对象的时候，会清理软引用，并可选地把引用存放到一个引用队列（Reference Queue）
类似弱引用，只不过Java虚拟机会尽量让软引用的存活时间长一些，迫不得已才清理
/**
* 软引用测试
* -Xms10m -Xmx10m -XX:+PrintGCDetails
*/
public class SoftReferenceTest {
public static class User {
public User(int id, String name) {
this.id = id;
this.name = name;
}
public int id;
public String name;
@Override
public String toString() {
return "User{" + "id=" + id + ", name='" + name + '\\'' + '}';
}
}
public static void main(String[] args) {
// 创建对象，建立软引用
SoftReference<User> userSoftRef = new SoftReference<>(new User(1, "guoyanfei"));
// 从软引用中重新获得强引用对象
System.out.println(userSoftRef.get()); // 堆空间内存足够，不会回收软引用的可达对象
System.gc();
System.out.println("After GC:");
// 垃圾回收之后获得软引用的对象
System.out.println(userSoftRef.get());
try {
// 让系统资源紧张
byte[] b = new byte[1024 * 6800];
} catch (Throwable e) {
e.printStackTrace();
} finally {
// 再次从软引用中获取数据
System.out.println(userSoftRef.get()); // 在OOM之前，GC会回收软引用的可达对象
}
}
}
// 并不一定要OOM才会进行回收，只要不足就会进行回收
/**
* User{id=1, name='guoyanfei'}
* After GC:
* User{id=1, name='guoyanfei'}
* null
* java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
* at com.xxx.java.SoftReferenceTest.main(SoftReferenceTest.java:40)
*/
弱引用（Weak Reference） - 发现就回收 #
弱引用也是用来描述那些非必需对象， 只被弱引用关联的对象只能生存到下一次垃圾收集发生为止。在系统GC时，只要发现弱引用，不管系统堆空间使用是否充足，都会回收掉只被弱引用关联的对象
但是，由于垃圾回收器的线程通常优先级很低，因此，并不一定能很快地发现持有弱引用的对象。在这种情况下， 弱引用对象可以存在较长的时间
弱引用和软引用一样，在构造弱引用时，也可以指定一个引用队列，当弱引用对象被回收时，就会加入指定的引用队列，通过这个队列可以跟踪对象的回收情况
软引用、弱引用都非常适合来保存那些可有可无的缓存数据。如果这么做，当系统内存不足时，这些缓存数据会被回收，不会导致内存溢出。而当内存资源充足时，这些缓存数据又可以存在相当长的时间，从而起到加速系统的作用
弱引用对象与软引用对象的最大不同就在于，当GC在进行回收时，需要通过算法检查是否回收软引用对象，而对于弱引用对象，GC总是进行回收。弱引用对象更容易、更快被GC回收
/**
* 弱引用的测试
* Created by guoyanfei .
* 2021/7/16 .
*/
public class WeakReferenceTest {
public static class User {
public User(int id, String name) {
this.id = id;
this.name = name;
}
public int id;
public String name;
@Override
public String toString() {
return "User{" + "id=" + id + ", name='" + name + '\'' + '}';
}
}
public static void main(String[] args) {
// 构造弱引用
WeakReference<User> userWeakReference = new WeakReference<>(new User(1, "guoyanfei"));
// 从弱引用中获取对象
System.out.println(userWeakReference.get());
System.gc();
// 不管当前内存空间足够与否，都会回收它的内存
System.out.println("After GC:");
// 重新尝试从弱引用中获取对象
System.out.println(userWeakReference.get());
}
}
/**
* User{id=1, name='guoyanfei'}
* After GC:
* null
*/
虚引用（Phantom Reference） - 对象回收跟踪 #
也称为“幽灵引用”或者“幻影引用”是所有引用类型中最弱的一个
一个对象是否有虚引用的存在，完全不会决定对象的生命周期。如果一个对象仅持有虚引用，那么它和没有引用几乎是一样的，随时都可能被垃圾回收器回收
它不能单独使用，也无法通过虚引用来获取被引用的对象。当试图通过虚引用的 get() 方法取得对象时，总是null
为一个对象设置虚引用关联的 唯一目的在于跟踪垃圾回收过程。比如：能在这个对象被收集器回收时收到一个系统通知
虚引用必须和引用队列一起使用。虚引用在创建时必须提供一个引用队列作为参数。当垃圾回收器准备回收一个对象时，如果发现它还有虚引用，就会在回收对象后，将这个虚引用加入引用队列，以通知应用程序对象的回收情况
由于虚引用可以跟踪对象的回收时间，因此，也可以将一些资源释放操作放置在虚引用中执行和记录
/**
* 虚引用测试
* Created by guoyanfei .
* 2021/7/16 .
*/
public class PhantomReferenceTest {
public static PhantomReferenceTest obj; // 当前类的对象的声明
static ReferenceQueue<PhantomReferenceTest> phantomQueue = null; // 引用队列
public static class CheckRefQueue extends Thread {
@Override
public void run() {
while (true) {
if (phantomQueue != null) {
PhantomReference<PhantomReferenceTest> objt = null;
try {
objt = (PhantomReference<PhantomReferenceTest>) phantomQueue.remove();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
if (objt != null) {
System.out.println("追踪垃圾回收过程：PhantomReferenceTest 实例被GC了");
}
}
}
}
}
@Override
protected void finalize() throws Throwable {
super.finalize();
System.out.println("调用当前类的finalize()方法");
obj = this;
}
public static void main(String[] args) {
Thread t = new CheckRefQueue();
t.setDaemon(true); // 设置成守护线程：当程序中没有非守护线程时，守护线程也就结束
t.start();
phantomQueue = new ReferenceQueue<PhantomReferenceTest>();
obj = new PhantomReferenceTest();
// 构造了一个 PhantomReferenceTest 对象的虚引用，并指定了引用队列
PhantomReference<PhantomReferenceTest> phantomRef = new PhantomReference<>(obj, phantomQueue);
// 不可获取虚引用中的对象
System.out.println(phantomRef.get());
// 将强引用去除
obj = null;
// 第一次进行GC，由于对象可复活，GC无法回收该对象
System.out.println("第 1 次GC");
System.gc();
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
if (obj == null) {
System.out.println("obj 是 null");
} else {
System.out.println("obj 可用");
}
obj = null;
System.out.println("第 2 次GC");
System.gc(); // 第二次垃圾回收会把 PhantomReferenceTest 的实例进行回收，回收完成后，将会被追踪
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
if (obj == null) {
System.out.println("obj 是 null");
} else {
System.out.println("obj 可用");
}
}
}
/**
* null
* 第 1 次GC
* 调用当前类的finalize()方法
* obj 可用
* 第 2 次GC
* 追踪垃圾回收过程：PhantomReferenceTest实例被GC了
* obj 是 null
*/
终结器引用（Final Reference） #
它用以实现对象的 finalize()方法，也可以称为终结器引用
无需手动编码，其内部配合引用队列使用
在GC时，终结器引用入队。由Finalizer线程通过终结器引用找到被引用对象并调用它的 finalize()方法， 第二次GC时才能回收被引用对象