Java與C++之間有一堵由內存動態分配和垃圾收集技術所圍成的“高墻”，墻外面的人想進去，墻里面的人卻想出來。
對于垃圾收集（Gabage Collection，GC）, 我們需要考慮三件事情：
- 哪些內存需要回收？
- 什么時候回收？
- 如何回收？
一、GC的工作區域（哪些內存需要回收？）
Java虛擬機的內存區域中，程序計數器、虛擬機棧和本地方法棧三個區域是線程私有的，隨線程生而生，隨線程滅而滅；棧中的棧幀隨著方法的進入和退出而進行入棧和出棧操作，每個棧幀中分配多少內存基本上是在類結構確定下來時就已知的，因此這幾個區域的內存分配和回收都具有確定性。在這幾個區域不需要過多考慮回收的問題，因為方法結束或線程結束時，內存自然就跟隨著回收了。
垃圾回收重點關注的是堆和方法區部分的內存。因為一個接口中的多個實現類需要的內存可能不一樣，一個方法的多個分支需要的內存也可能不一樣，我們只有在程序處于運行期間才能知道會創建哪些對象，這部分內存的分配和回收都是動態的，所以垃圾回收器所關注的主要是這部分的內存。
二、垃圾對象的判定（什么時候回收？）
Java堆中存放著幾乎所有的對象實例，垃圾收集器對堆中的對象進行回收前，要先確定這些對象是否還有用，哪些還活著。對象死去的時候才需要回收。
1. 判斷對象是否存活的算法：
-
引用計數算法
給對象添加一個引用計數器，每當有一個地方引用它時，計數器值就加1，當引用失效時，計數器值就減1，任何時刻計數器為0的對象就是不可能再被使用的。
1）優點：引用計數算法的實現簡單，判定效率也很高，在大部分情況下它都是一個不錯的選擇.
2）缺點：Java虛擬機并沒有選擇這種算法來進行垃圾回收，主要原因是它很難解決對象之間的相互循環引用問題。public class ReferenceCountingGC { public Object instance = null; private static final int _1MB = 1024 * 1024; // 這個成員屬性的唯一意義就是占點內存，以便在能在GC日志中看清楚是否有回收過 private byte[] bigSize = new byte[2 * _1MB]; public static void testGC() { ReferenceCountingGC objA = new ReferenceCountingGC(); ReferenceCountingGC objB = new ReferenceCountingGC(); objA.instance = objB; objB.instance = objA; objA = null; objB = null; // 假設在這行發生GC，objA和objB是否能被回收？ System.gc(); } }對象objA和objB都有字段instance，賦值令
objA.instance = objB;以及objB.instance = objA;，除此之外，這兩個對象再無任何其他引用，實際上這兩個對象已經不可能再被訪問，但是因為它們互相引用著對方，導致它們的引用計數值都不為0，引用計數算法無法通知GC收集器回收它們。 -
可達性分析算法
這種算法的基本思路是通過一系列名為“GC Roots”的對象作為起始點，從這些節點開始向下搜索，搜索所走過的路徑稱為引用鏈，當一個對象到GC Roots沒有任何引用鏈相連時，就證明此對象是不可用的。
Java語言是通過可達性分析算法來判斷對象是否存活的。
在Java語言里，可作為GC Roots的對象包括下面幾種：
虛擬機棧（棧幀中的本地變量表）中引用的對象。
方法區中的類靜態屬性引用的對象。
方法區中的常量引用的對象。
本地方法棧中JNI（Native方法）的引用對象。
2. 正確理解引用：
無論是通過引用計數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，判定對象是否存活都與“引用”有關。
在JDK 1.2以前，Java中的引用的定義很傳統：如果reference類型的數據中存儲的數值代表的是另外一塊內存的起始地址，就稱這塊內存代表著一個引用。這種定義很純粹，但是太過狹隘，一個對象在這種定義下只有被引用或者沒有被引用兩種狀態，對于如何描述一些“食之無味，棄之可惜”的對象就顯得無能為力。
我們希望能描述這樣一類對象：當內存空間還足夠時，則能保留在內存之中；如果內存空間在進行垃圾收集后還是非常緊張，則可以拋棄這些對象。很多系統的緩存功能都符合這樣的應用場景。
在JDK 1.2之后，Java對引用的概念進行了擴充，將引用分為強引用（Strong Reference）、軟引用（Soft Reference）、弱引用（Weak Reference）、虛引用（Phantom Reference）4種，這4種引用強度依次逐漸減弱。
強引用就是指在程序代碼之中普遍存在的，類似
Object obj = new Object()這類的引用，只要強引用還存在，垃圾收集器永遠不會回收掉被引用的對象。軟引用是用來描述一些還有用但并非必需的對象。對于軟引用關聯著的對象，在系統將要發生內存溢出異常之前，將會把這些對象列進回收范圍之中進行第二次回收。如果這次回收還沒有足夠的內存，才會拋出內存溢出異常。在JDK 1.2之后，提供了
SoftReference類來實現軟引用。弱引用也是用來描述非必需對象的，但是它的強度比軟引用更弱一些，被弱引用關聯的對象只能生存到下一次垃圾收集發生之前。當垃圾收集器工作時，無論當前內存是否足夠，都會回收掉只被弱引用關聯的對象。在JDK 1.2之后，提供了
WeakReference類來實現弱引用。虛引用也稱為幽靈引用或者幻影引用，它是最弱的一種引用關系。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，也無法通過虛引用來取得一個對象實例。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。在JDK 1.2之后，提供了
PhantomReference類來實現虛引用。
3. 對象死亡的標記過程：
即使在可達性分析算法中不可達的對象，也并非是“非死不可”的，這時候它們暫時處于“緩刑”階段，要真正宣告一個對象死亡，至少要經歷兩次標記過程：
-
如果對象在進行可達性分析后發現沒有與GC Roots相連接的引用鏈，那它將會被第一次標記并且進行一次篩選，篩選的條件是此對象是否有必要執行
finalize()方法。當對象沒有覆蓋finalize()方法，或者finalize()方法已經被虛擬機調用過，虛擬機將這兩種情況都視為“沒有必要執行”。如果這個對象被判定為有必要執行
finalize()方法，那么這個對象將會放置在一個叫做F-Queue的隊列之中，并在稍后由一個由虛擬機自動建立的、低優先級的Finalizer線程去執行它。這里所謂的“執行”是指虛擬機會觸發這個方法，但并不承諾會等待它運行結束，這樣做的原因是，如果一個對象在finalize()方法中執行緩慢，或者發生了死循環（更極端的情況），將很可能會導致F-Queue隊列中其他對象永久處于等待，甚至導致整個內存回收系統崩潰。 finalize()方法是對象逃脫死亡命運的最后一次機會，稍后GC將對F-Queue中的對象進行第二次小規模的標記，如果對象要在finalize()中成功拯救自己——只要重新與引用鏈上的任何一個對象建立關聯即可，譬如把自己（this關鍵字）賦值給某個類變量或者對象的成員變量，那在第二次標記時它將被移除出“即將回收”的集合；如果對象這時候還沒有逃脫，那基本上它就真的被回收了。
下面的代碼演示了兩點：
- 對象可以在被GC時自我拯救。
- 這種自救的機會只有一次，因為一個對象的finalize()方法最多只會被系統自動調用一次
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 mehtod executed!");
FinalizeEscapeGC.SAVE_HOOK = this;
}
public static void main(String[] args) throws Throwable {
SAVE_HOOK = new FinalizeEscapeGC();
//對象第一次成功拯救自己
SAVE_HOOK = null;
System.gc();
// 因為Finalizer方法優先級很低，暫停0.5秒，以等待它
Thread.sleep(500);
if (SAVE_HOOK != null) {
SAVE_HOOK.isAlive();
} else {
System.out.println("no, i am dead :(");
}
// 下面這段代碼與上面的完全相同，但是這次自救卻失敗了
SAVE_HOOK = null;
System.gc();
// 因為Finalizer方法優先級很低，暫停0.5秒，以等待它
Thread.sleep(500);
if (SAVE_HOOK != null) {
SAVE_HOOK.isAlive();
} else {
System.out.println("no, i am dead :(");
}
}
}
finalize mehtod executed!
yes, i am still alive :)
no, i am dead :(
PS ： finalize()的運行代價高昂，不確定性大，無法保證各個對象的調用順序，應該盡量避免使用。
4. 回收方法區：
很多人認為方法區（或者HotSpot虛擬機中的永久代）是沒有垃圾收集的，Java虛擬機規范中確實說過可以不要求虛擬機在方法區實現垃圾收集，而且在方法區中進行垃圾收集的“性價比”一般比較低：在堆中，尤其是在新生代中，常規應用進行一次垃圾收集一般可以回收70%～95%的空間，而永久代的垃圾收集效率遠低于此。
永久代的垃圾收集主要回收兩部分內容：廢棄常量和無用的類。
回收廢棄常量與回收Java堆中的對象非常類似。
以常量池中字面量的回收為例，假如一個字符串“abc”已經進入了常量池中，但是當前系統沒有任何一個String對象是叫做“abc”的，換句話說，就是沒有任何String對象引用常量池中的“abc”常量，也沒有其他地方引用了這個字面量，如果這時發生內存回收，而且必要的話，這個“abc”常量就會被系統清理出常量池。常量池中的其他類（接口）、方法、字段的符號引用也與此類似。-
判定一個常量是否是“廢棄常量”比較簡單，而要判定一個類是否是“無用的類”的條件則相對苛刻許多。類需要同時滿足下面3個條件才能算是“無用的類”：
- 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，無法在任何地方通過反射訪問該類的方法。
虛擬機可以對滿足上述3個條件的無用類進行回收，這里說的僅僅是“可以”，而并不是和對象一樣，不使用了就必然會回收。是否對類進行回收，需要虛擬機的參數進行控制。
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的功能，以保證永久代不會溢出。
三、垃圾收集算法 ( 如何回收？)
由于垃圾收集算法的實現涉及大量的程序細節，而且各個平臺的虛擬機操作內存的方法又各不相同，以下只是介紹幾種算法的思想及其發展過程。
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標記-清除算法：
最基礎的收集算法是“標記-清除”（Mark-Sweep）算法，如同它的名字一樣，算法分為“標記”和“清除”兩個階段：首先標記出所有需要回收的對象，在標記完成后統一回收所有被標記的對象。
缺點：
1）效率問題，標記和清除兩個過程的效率都不高；
2）空間問題，標記清除之后會產生大量不連續的內存碎片，空間碎片太多可能會導致以后在程序運行過程中需要分配較大對象時，無法找到足夠的連續內存而不得不提前觸發另一次垃圾收集動作。
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復制算法：
為了解決效率問題，一種稱為“復制”（Copying）的收集算法出現了，它將可用內存按容量劃分為大小相等的兩塊，每次只使用其中的一塊。當這一塊的內存用完了，就將還存活著的對象復制到另外一塊上面，然后再把已使用過的內存空間一次清理掉。
1）優點：每次都是對整個半區進行內存回收，內存分配時也就不用考慮內存碎片等復雜情況，只要移動堆頂指針，按順序分配內存即可，實現簡單，運行高效。
2）缺點：算法的代價是將內存縮小為了原來的一半，未免太高了一點。
現在的商業虛擬機都采用這種收集算法來回收新生代，研究表明，新生代中的對象98%是“朝生夕死”的，所以并不需要按照1∶1的比例來劃分內存空間，而是將內存分為一塊較大的Eden空間和兩塊較小的Survivor空間，每次使用Eden和其中一塊Survivor。
當回收時，將Eden和Survivor中還存活著的對象一次性地復制到另外一塊Survivor空間上，最后清理掉Eden和剛才用過的Survivor空間。HotSpot虛擬機默認Eden和Survivor的大小比例是8∶1，也就是每次新生代中可用內存空間為整個新生代容量的90%，只有10%的內存會被“浪費”。
當然，90%的對象可回收只是一般場景下的數據，我們沒有辦法保證每次回收都只有不多于10%的對象存活，當Survivor空間不夠用時，需要依賴其他內存（這里指老年代）進行分配擔保（Handle Promotion）。 -
標記-整理算法：
復制收集算法在對象存活率較高時就要進行較多的復制操作，效率將會變低。更關鍵的是，如果不想浪費50%的空間，就需要有額外的空間進行分配擔保，以應對被使用的內存中所有對象都100%存活的極端情況，所以在老年代一般不能直接選用這種算法。
根據老年代的特點，有人提出了另外一種“標記-整理”（Mark-Compact）算法，標記過程仍然與“標記-清除”算法一樣，但后續步驟不是直接對可回收對象進行清理，而是讓所有存活的對象都向一端移動，然后直接清理掉端邊界以外的內存。
分代收集算法：
當前商業虛擬機的垃圾收集都采用“分代收集”（Generational Collection）算法，這種算法并沒有什么新的思想，只是根據對象存活周期的不同將內存劃分為幾塊。一般是把Java堆分為新生代和老年代，這樣就可以根據各個年代的特點采用最適當的收集算法。
1）在新生代中，每次垃圾收集時都發現有大批對象死去，只有少量存活，那就選用復制算法，只需要付出少量存活對象的復制成本就可以完成收集。
2）在老年代中因為對象存活率高、沒有額外空間對它進行分配擔保，就必須使用"標記—清理"或者"標記—整理"算法來進行回收。
推薦閱讀：《深入理解Java虛擬機：JVM高級特性與最佳實踐》周志明著
[2015-09-03]
