Java 垃圾回收機制詳解

乍一看，垃圾回收所做的事情應(yīng)當恰如其名——查找并清除垃圾。事實上卻恰恰相反。垃圾回收會跟蹤所有仍在使用的對象，然后將剩余的對象標記為垃圾。牢記了這點之后，我們再來深入地了解下這個被稱為“垃圾回收”的自動化內(nèi)存回收在JVM中到底是如何實現(xiàn)的。

手動管理內(nèi)存

在介紹現(xiàn)代版的垃圾回收之前，我們先來簡單地回顧下需要手動地顯式分配及釋放內(nèi)存的那些日子。如果你忘了去釋放內(nèi)存，那么這塊內(nèi)存就無法重用了。這塊內(nèi)存被占有了卻沒被使用。這種場景被稱之為內(nèi)存泄露。

下面是用C寫的一個手動管理內(nèi)存的簡單例子：

int send_request() {
  size_t n = read_size();
  int *elements = malloc(n * sizeof(int));

  if(read_elements(n, elements) < n) {
    // elements not freed!
    return -1;
  }

  // …

  free(elements)
  return 0;
}

可以看到，你很容易就會忘了釋放內(nèi)存。內(nèi)存泄露曾經(jīng)是個非常普遍的問題。你只能通過不斷地修復(fù)自己的代碼來與它們進行抗爭。因此，需要有一種更優(yōu)雅的方式來自動釋放無用內(nèi)存，以便減少人為錯誤的可能性。這種自動化過程又被稱為垃圾回收（簡稱GC）。

智能指針

自動垃圾回收早期的一種實現(xiàn)便是引用計數(shù)。你知曉每一個對象被引用了幾次，當計數(shù)器歸0的時候，這個對象就可以被安全地回收掉了。C++的共享指針就是一個非常著名的例子：

int send_request() {
  size_t n = read_size();
  stared_ptr<vector<int>> elements 
       = make_shared<vector<int>&gt();

  if(read_elements(n, elements) < n) {
    return -1;
  }

  return 0;
}

我們使用的sharedptr會記錄這個對象被引用的次數(shù)。如果你將它傳遞給別人則計數(shù)加一，當它離開了作用域后便會減一。一旦這個計數(shù)為0，sharedptr會自動地刪除底層對應(yīng)的vector。當然這只是個示例，因為也有讀者指出來了，這個在現(xiàn)實中是不太可能出現(xiàn)的，但作為演示是足夠了。

自動內(nèi)存管理

在上面的C++代碼中，我們還得顯式地聲明我們需要使用內(nèi)存管理。那如果所有的對象都采用這個機制會怎樣呢？那簡直就太方便了，這樣開發(fā)人員便無需 考慮清理內(nèi)存的事情了。運行時會自動知曉哪些內(nèi)存不再使用了，然后釋放掉它。也就是說，它自動地回收了這些垃圾。第一代的垃圾回收器是1959年Lisp 引入的，這項技術(shù)迄今為止一直在不斷演進。

 引用計數(shù) 

剛才我們用C++的共享指針所演示的想法可以應(yīng)用到所有的對象上來。許多語言比如說Perl, Python以及PHP，采用的都是這種方式。這個通過一張圖可以很容易說明：

綠色的云代表的是程序中仍在使用的對象。從技術(shù)層面上來說，這有點像是正在執(zhí)行的某個方法里面的局部變量，亦或是靜態(tài)變量之類的。不同編程語言的情況可能會不一樣，因此這并不是我們關(guān)注的重點。

藍色的圓圈代表的是內(nèi)存中的對象，可以看到有多少對象引用了它們?；疑珗A圈的對象是已經(jīng)沒有任何人引用的了。因此，它們屬于垃圾對象，可以被垃圾回收器清理掉。

看起來還不錯對吧？沒錯，不過這里存在著一個重大的缺陷。很容易會出現(xiàn)一些孤立的環(huán)，它們中的對象都不在任何域內(nèi)，但彼此卻互相引用導(dǎo)致引用數(shù)不為0。下面便是一個例子：

看到了吧，紅色部分其實就是應(yīng)用程序不再使用的垃圾對象。由于引用計數(shù)的缺陷，因此會存在內(nèi)存泄露。

有幾種方法可以解決這一問題，比如說使用特殊的“弱”引用，或者使用一個特殊的算法回收循環(huán)引用。之前提到的Perl,Python以及PHP等語言，都是使用類似的方法來回收循環(huán)引用的，不過這已經(jīng)超出本文講述的范圍了。我們準備詳細介紹下JVM所采用的方法。

標記刪除

首先，JVM對于對象可達性的定義要明確一些。它可不像前面那樣用綠色的云便含糊了事的，而是有著非常明確及具體的垃圾回收根對象（Garbage Collection Roots）的定義：

• 局部變量
• 活動線程
• 靜態(tài)字段
• JNI引用
• 其它（后面將會討論到）
  

JVM通過標記刪除的算法來記錄所有可達（存活）對象，同時確保不可達對象的那些內(nèi)存能夠被重用。這包含兩個步驟：

• 標記是指遍歷所有可達對象，然后在本地內(nèi)存中記錄這些對象的信息
• 刪除會確保不可達對象的內(nèi)存地址可以在下一次內(nèi)存分配中使用。
  

JVM中的不同GC算法，比如說Parallel Scavenge，Parallel Mark+Copy， CMS都是這一算法的不同實現(xiàn)，只是各階段略有不同而已，從概念上來講仍然是對應(yīng)著上面所說的那兩個步驟。

這種實現(xiàn)最重要的就是不會再出現(xiàn)泄露的對象環(huán)了：

缺點就是應(yīng)用程序的線程需要被暫停才能完成回收，如果引用一直在變的話你是無法進行計數(shù)的。這個應(yīng)用程序被暫停以便JVM可以收拾家務(wù)的情況又被稱為Stop The World pause(STW)。這種暫停被觸發(fā)的可能性有很多，不過垃圾回收應(yīng)該是最常見的一種。

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