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【JVM · GC】垃圾回收 相关概念

JVM概念 相关 垃圾 回收 GC
2023-09-27 14:22:51 时间

1. 垃圾收集概述

1.1 什么是垃圾？

垃圾

  • 垃圾收集，并非Java语言的伴生产物。早在1960年，第一门开始使用内存动态分配和垃圾收集技术的Lisp语言诞生。
  • 关于垃圾回收有三个经典问题：
    • 哪些内存需要回收？
    • 什么时候回收？
    • 如何回收？
  • 垃圾收集机制是Java的招牌能力，极大地提高了开发效率。如今，垃圾收集几乎成为现代语言的标配，即使经过如此长时间的发展，Java的垃圾收集机制仍然在不断演进，不同大小的设备、不同特征的应用场景，对垃圾收集提出了新的挑战。
  • 什么是垃圾（Garbage）呢?
    • 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i回收的垃圾。
    • An object is considered garbage when it can no longer be reached from any pointer in the running program.
  • 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。

1.2 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，垃圾回收也可以清楚内存里的记录碎片。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。

1.3 早期垃圾回收

  • 在早期的C/C++ 时代，垃圾回收基本上是手工进行的。开发人员可以使用new关键字进行内存申请，并使用delete关键字进行内存释放。
  • 这种方式可以灵活控制内存释放的时间，但是会给开发人员带来 频繁申请和释放内存的管理负担。倘若有一处内存区间由于程序员编码的问题忘记被回收，那么就会产生 内存泄漏，垃圾对象永远无法被清除，随着系统运行时间不断增长，垃圾对象所耗内存可能持续上升，直到出现内存溢出并造成 应用程序崩溃。

引入垃圾回收机制，可以避免上述问题。现在，除了Java以外，很多语言都使用了自动垃圾回收思想。

1.4 Java垃圾回收机制

1.4.1 优点

  • 自动内存管理，无需开发人员手动参加内存的分配于回收，这样 降低内存泄露和内存溢出的风险。
    • 没有垃圾回收器，java也会和cpp一样，各种垂悬指针、野指针、泄露问题。
  • 自动内存管理机制，让程序员从繁重的内存管理中释放出来，可以 更专注于业务开发。

Oracle官网关于垃圾回收的介绍：

https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/guides/vm/gctuning/toc.html

1.4.2 缺点

  • 对于Java开发人员而言，自动内存管理就像是一个黑匣子，如果过度依赖于 “自动”，那么这将会是一场灾难，最严重的就会 弱化Java开发人员在程序出现内存溢出时定位问题、解决问题的能力。
  • 此时，了解JVM的自动内存分配、内存回收原理就显得非常重要，只有在真正了解JVM是如何管理内存后，我们才能在遇见OutOfMemoryError时，快速地根据错误异常日志定位问题、解决问题。
  • 当需要排查各种内存溢出、内存泄露问题时，当垃圾收集成为系统达到更高并发量的瓶颈时，我们就必须对这些 “自动化” 的技术 实施必要的监控、调节。

GC作用区域

  • 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

2. 垃圾回收相关算法

2.0 标记阶段：对象存活判断

  • 在堆里存放着几乎所有的Java对象实例，在GC执行垃圾回收之前，首先 需要区分出内存中哪些是存活对象，哪些是已经死亡大的对象。只有被标记为已经死亡的对象，GC才会在执行垃圾回收时，释放掉其所占用的内存空间，因此这个过程我们可以称为 垃圾标记阶段。
  • 那么在JVM中究竟是如何标记一个死亡对象呢？简单来说，当一个对象已经不再被任何的存活对象继续引用时，就可以宣判为已经死亡。
  • 判断对象存活一般有两种方式：引用计数算法 和 可达性分析算法。

2.1 标记阶段：引用计数算法

2.1.1 概述

  • 引用计数算法（Reference Counting）比较简单，每个对象保存一个整型的 引用的计数器属性。用于记录对象被引用的情况。
  • 对于一个对象A，只要有任何一个对象引用了A，则A的引用计数器就加1；当引用失效时，引用计数器就减1。只要对象A的引用计数器的值为0，即表示对象A不可能再被使用，可进行回收。
  • 优点：实现简单，垃圾对象便于识别；判定效率高，回收没有延迟性。
  • 缺点：
    • 它需要单独的字段存储计数器，这样的做法增加了 存储空间的开销。
    • 每次赋值都需要更新计数器，伴随着加法和减法操作，这增加了 时间开销。
    • 引用计数器有一个严重的问题，即 无法处理循环引用 的情况。这是一条致命缺陷，导致在Java的垃圾回收器中没有使用这类算法。

GC算法

/**
 * JVM参数：-XX:+PrintGCDetails
 */
public class RefCountGC {
    // 这个成员属性唯一作用：占用一点内存
    private byte[] bigSize = new byte[5 * 1024 * 1024]; //5MB

    Object reference = null;

    public static void main(String[] args) {
        RefCountGC obj1 = new RefCountGC();
        RefCountGC obj2 = new RefCountGC();

        obj1.reference = obj2;
        obj2.reference = obj1;

        obj1 = null;
        obj2 = null;

        // 显式的执行垃圾回收行为
        // 这里发生GC, obj1和obj2 能否被回收？
        // System.gc();
    }
}

引用保持

未进行垃圾回收：

未进行垃圾回收

进行垃圾回收：

进行垃圾回收

进行垃圾回收后，内存占用占比变小，对象消失，说明Java未采用 引用计数算法。

  • 引用计数算法，是很多语言的资源回收选择，例如因人工智能而更加火热的Python，它更是同时支持引用计数和垃圾收集机制。

  • 具体哪种最优，要看场景的，业界有大规模实践中仅保留引用计数机制，以提高吞吐量的尝试 。

  • Java并没有选择引用计数，因为难以处理循环引用关系。

  • Python如何解决循环引用 ？

    • 手动解除：很好理解，就是在合适的时机，解除引用关系。
    • 使用弱引用weakref，weakref是Python提供的标准库，旨在解决循环引用。

2.2 标记阶段：可达性分析算法

2.2.1 概述

可达性分析算法（根搜索算法、追踪垃圾收集）

  • 相对于引用计数算法而言，可达性分析算法不仅同样具备实现简单和执行高效等特点，更重要的是该算法可以有效地 解决在引用计数算法中 循环引用 的问题，防止内存泄漏的发生。
  • 相较于引用计数算法，这里的可达性分析就是 Java选择的。这种类型的垃圾收集通常也叫做 追踪性垃圾收集（Tracing Garbage Collection）。

2.2.2 GC Roots

  • 所谓 “GC Roots” 根集合就是一组必须活跃的引用。
  • 基本思路：
    • 可达性分析算法是以根对象集合（GC Roots）为起始点，按照从上至下的方式 搜索被根对象集合所连接的目标对象是否可达。
    • 使用可达性分析算法后，内存中的存活对象都会被根对象集合直接或间接连接着，搜索所走过的路径称为 引用链（Reference Chain）
    • 如果目标对象没有任何引用链相连，则是不可达的，就意味着该对象已经死亡，可以标记为垃圾对象。
    • 在可达性分析算法中，只有能够根对象直接或间接连接的对象才是存活对象。

GC Roots

在 Java 语言中，GC Roots 包括以下几类元素：

  • 虚拟机栈中引用的对象
    • 比如：各个线程被调用的方法使用到的参数、局部变量等。
  • 本地方法栈内JNI (本地方法) 引用的对象
  • 方法区中类静态属性引用的对象
    • 比如：Java 类的引用类型静态变量
  • 方法区中常量引用的对象
    • 比如：字符串常量池（String Table）里的引用
  • 所有被同步锁 synchronized 持有的对象
  • Java 虚拟机内部的引用
    • 基本数据类型对应的Class对象
    • 一些常驻的异常对象（如：NullPointerException、OutOfMemoryError）
    • 系统类加载器
  • 反映Java虚拟机内部情况的JMXBean、JVMTI中注册的回调、本地代码缓存等。

GC Roots

  • 除了这些固定的 GC Roots 集合以外，根据用户所选用的垃圾收集器以及当前回收的内存区域不同，还可以有其他对象 “临时性” 地加入，共同构成完整 GC Roots 集合。比如：分代收集、局部回收（Partial GC）

    • 如果只针对 Java堆 中的某一块区域进行垃圾回收（eg. 只针对新生代），必须考虑到内存区域是虚拟机自己的实现细节，更不是孤立封闭的，这个区域的对象完全有可能被其他区域的对象所引用，这时候就需要一并将关联的区域对象也加入 GC Roots 集合中去考虑，才能保证可达性分析的准确性。

  • 小技巧：

    • 由于 Root 采用栈方式存放变量、指针，所以如果一个指针，它保存了堆内存里面的对象，但是自己又不存放在堆内存里面，那它就是一个Root。
  • 如果要使用可达性分析算法来判断内存是否可回收，那儿么分析工作必须在一个能保障一致性的快照中进行。这单不满足的话分析结果的准确性就无法保证。
  • 这点也是导致GC进行时必须 “Stop The World” 的一个重要原因。
    • 即使是号称（几乎）不会发生停顿的 CMS 收集器中，枚举根节点时也是必须要停顿的。

2.3 对象的finalization机制

2.3.1 概述

  • Java 语言提供了对象终止（finalization）机制来允许开人员提供 对象被销毁之前的自定义处理逻辑。

  • 当垃圾回收器发现没有引用指向一个对象，即：垃圾回收此对象之前，总会先调用这个对象的 finalize() 方法。

  • finalize() 方法允许在子类中被重写，用于在对象被回收时进行资源释放。通常在这个方法中进行一些资源释放、清理工作，比如关闭文件、套接字、数据库连接等。

  • 永远不要主动调用某个对象的 finalize() 方法，应该交给垃圾回收机制调用。理由包括下面三点：

    • 在 finalize() 时可能会导致对象复活。
    • finalize() 方法的执行时间时没有保障的，它完全由 GC 线程决定，极端情况下，若不发生GC，则 finalize() 方法将没有执行机会。
    • 一个糟糕的finalize() 会严重影响GC的性能。

  • 从功能上来说，finalize() 方法与 C++ 中的析构函数比较相似，但是Java采用的是基于垃圾收集器的自动内存管理机制，所以 finalize() 方法在本质上不同于 C++ 中的析构函数。

  • 由于 finalize() 方法的存在，虚拟机中的对象一般处于三种可能的状态。

2.3.2 生存还是死亡？

  • 如果从所有的根节点都无法访问到某个对象，说明对象已经不再使用了。一般来说，此对象需要被回收。但事实上，也并非是 “非死不可” 的，这时候它们暂时处于 “缓刑” 阶段。一个无法触及的对象有可能在某一个条件下 “复活” 自己，如果这样，那么对他的回收就是不合理的，为此，定义虚拟机中的对象可能的三种状态。
    • 可触及的：从根节点开始，可以到达这个对象。
    • 可复活的：对象的所有引用都被释放，但是对象有可能在 finalize() 中复活。
    • 不可触及的：对象的 finalize() 被调用，并且没有复活，那么就会进入不可触及状态。不可触及状态的对象不能被复活，因为 finalize() 只会被调用一次。
  • 以上3种状态中，是由于 finalize() 方法的存在，进行的区分。只有在对象不可触及时才可以被回收。

2.3.3 具体过程

  • 判定一个对象 objA 是否可回收，至少要经历两次标记过程。
    1. 如果对象 objA 到 GC Roots 没有引用链，则进行第一次标记。
    2. 进行筛选，判断此对象是否有必要执行finalize() 方法
      • 如果对象 objA 没有重写 finalize() 方法，或者 finalize() 方法已经被虚拟机调用过，则虚拟机视为 “没有必要执行” ，objA 被判定为不可触及的。
      • 如果对象 objA 重写了 finalize() 方法，且还未执行过，那么 objA 会被插入到 F-Queue 队列中，由一个虚拟机自动创建的、低优先级的 Finalizer 线程触发其 finalize() 方法执行。
      • finalize() 方法是对象逃脱死亡的最后机会，稍后 GC 会对 F-Queue 队列中的对象进行第二次标记。如果 objA 在 finalize() 方法中与引用链上的任何一个对象建立了联系，那么在第二次标记时，objA会被移出 “即将回收” 集合。之后，对象会再次出现没有引用存在的情况。在这情况下，finalize() 方法不会被再次调用，对象会直接变成不可触及的状态，也就是说，一个对象的 finalize() 方法只会被调用一次。

Finalizer

※ 对象复活演示：

/**
 * 测试Object类中finalize()方法，即对象的finalization机制。
 */
public class CanReliveObj {

    public static CanReliveObj obj; // 类变量，属于GC Roots

    // 此方法只能被调用一次
    @Override
    protected void finalize() throws Throwable {
        super.finalize();
        System.out.println("调用当前类重写final方法");
        obj = this;		// 当前待回收的对象在finalize()方法中与引用链上的一个对象建立了联系
    }

    public static void main(String[] args) {
        try {
            obj = new CanReliveObj();
            // 对象第一次成功拯救自己
            obj = null;
            System.gc();		// 调用垃圾回收器
            System.out.println("第1次 GC");
            // 因为Finalizer 线程优先级很低，暂停2秒，以等待它
            Thread.sleep(2000);
            if (obj == null) {
                System.out.println("obj is dead");
            } else {
                System.out.println("obj is still alive");
            }
            System.out.println("第2次 GC");
            // 这这里与上面的代码完全相同，但是这次自救失败了
            obj = null;
            System.gc();
            if (obj == null) {
                System.out.println("obj is dead");
            } else {
                System.out.println("obj is still alive");
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

对象复活

2.4 MAT与JProfiler的GC Roots溯源

2.4.1 MAT 概述

MAT 是 Memory Analyzer 的简称，它是一款功能强大的Java堆内存分析器。用于擦好找内存泄露以及查看内存消耗情况。

MAT是基于Eclipse开发的，一款免费的性能分析工具。

2.4.2 获取dump文件

① 命令行使用jmap

jmap

② 使用 JVisualVM 导出

  • 捕获的 heap dump 文件是一个临时文件，关闭 JVisualVM后自动删除，若要保留，需要将其另存为文件。
  • 可通过过以下方式捕获 heap dump：
    • 在左侧 “Application”（应用程序）子窗口中右击相应的应用程序，选择 Heap Dump（堆Dump）
    • 在Monitor（监视）子标签页中点击Heap Dump（堆Dump）按钮
  • 本地引用程序的Heap dumps作为应用程序标签页的一个子标签页打开。同时，heap dump 在左侧的Application（应用程序）栏中对应一个含有时间戳的节点。右击这个节点选择save as（另存为）即可将heap dump保存到本地。

2.4.3 使用 MAT 查看GC Roots

public class GCRootsTest {
    public static void main(String[] args) {
        List<Object> numList = new ArrayList<>();

        Date birth = new Date();

        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            numList.add(String.valueOf(i));
            try {
                Thread.sleep(10);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        System.out.println("数据添加完毕，请操作：");
        new Scanner(System.in).next();	// 阻塞
        numList = null;
        birth = null;

        System.out.println("numList、birth置空，请操作：");
        new Scanner(System.in).next();	// 阻塞

        System.out.println("结束");
    }
}

测试过程

使用 JVisualVM 导出：

JVisualVM
JVisualVM

JVisualVM

使用 MAT 打开文件：

使用MAT打开文件

未清空前：

未清空前

清空后：

清空后

官网说明：

https://help.eclipse.org/2020-03/

官网说明

2.4.4 使用 JProfiler 进行GC Roots 溯源

动态查看总体变化：

动态查看总体变化

查看具体信息：

查看具体信息
查看具体信息

2.4.5 使用JProfiler分析OOM

/**
 * -Xms8m -Xmx8m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
 */
public class HeapOOM {
    byte[] buffer = new byte[1024 * 1024 * 1];  //1MB

    public static void main(String[] args) {
        ArrayList<HeapOOM> list = new ArrayList<>();

        int count = 0;
        try {
            while (true) {
                list.add(new HeapOOM());
                count++;
            }
        } catch (Throwable e) {
            System.out.println("count = " + count);
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

分析OOM

分析OOM

分析OOM

分析OOM

2.5 清除阶段：标记—清除算法

2.5.1 垃圾清除阶段

当成功区分出内存中存活对象和死亡对象后，GC 接下来的任务就是执行垃圾回收，释放掉无用对象所占用的内存空间，以便有足够的可用内存空间为新对象分配内存。

目前在JVM中比较常见的三种垃圾收集算法是 标记—清除算法（Mark-Sweep）、复制算法（Copying）、标记—压缩算法（Mark-Compact）。

2.5.2 标记-清除（Mark-Sweep）算法

背景：

标记 — 清除算法（Mark-Sweep）是一种非常基础和常见的垃圾收集算法，该算法被J.McCarthy等人在1960年提出并应用于Lisp语言。

执行过程：

当堆中的有效内存空间（available memory）被耗尽的时候，就会停止整个程序（stop the world），然后进行两项工作：

  • 标记：Collector从引用根节点开始遍历，标记所有被引用的对象。一般是在对象的 Header 中记录为 可达对象。
  • 清除：Collector对堆内存从头到尾进行线性遍历，如果发现某个对象在其 Header 中 没有标记 为可达对象，则将其回收。

标记清除算法

缺点：

  • 效率不算高
  • 在进行GC的时候，需要停止整个应用程序，导致用户体验差
  • 这种方式清理出来的空闲空间是不连续的，产生内存碎片。需要维护一个空闲列表。

2.5.3 何为清除？

  • 这里所谓的清除并不是真的置空，而是把需要清除的对象地址保存在空闲的地址列表里。下次有新对象需要加载时，判断垃圾的位置空间是否够用。若垃圾所在位置空间足够，则进行覆盖操作.

2.6 清除阶段：复制算法

背景：

为了解决标记—清除算法在垃圾收集效率方面的问题，M.L.Minsky于1963年发表了著名论文《使用双存储区的Lisp语言垃圾收集器CA LISP Garbage Collector Algorithm Using Serial Secondary Storage》。M.L.Minsky 在此论文中描述的算法被人们称为 复制（Copying）算法，它也被M.L.Minsky 本人成功的引入到了Lisp语言的一个实现版本中。

核心思想：

将活着的内存空间分为两块，每次只使用其中一块，在垃圾回收时将正在使用的内存中的存活对象复制到未被使用的内存块中，之后清除正在使用的内存块中的所有对象，交换两个内存的角色，最后完成垃圾回收。

复制算法

优点：

  • 没有标记、清除过程，实现简单，运行高效
  • 复制过去以后保证空间的连续性，不会出现 “碎片” 问题。

缺点：

  • 此算法的缺点也是很明显的，就是需要两倍的内存空间。
  • 对于G1这种分拆策划共那位大量region的GC，复制而不是移动，意味着GC需要维护region之间对象引用关系，无论是内存占用或者时间开销也不小。

注意：

  • 如果系统中的垃圾对象很多（极端情况举例：99.96%占用），复制算法不会很理想。因为复制算法需要复制的存活对象数量通常不会太多，或者说所占比例非常低才行。

应用场景：

在新生代，对常规应用的垃圾回收，一次通常可以回收70%~99%的内存空间。回收性价比很高。所以现在的商业虚拟机都是用这种收集算法回收新生代。

应用场景

2.7 清除阶段：标记—压缩 (整理) 算法

背景：

复制算法的高效性是建立在 存活对象少、垃圾对象多 的前提下。这种情况在新生代经常发生，但是在老年代，更常见的情况是大部分对象都是存活对象。如果依然使用复制算法，由于存活对象较多，复制的成本也将很高。因此，基于老年代（空间较大 → 分半存在浪费）垃圾回收的特性，需要使用其他的算法。

标记—清除算法的确可以应用在老年代中，但是该算法不仅执行效率地下，而且在执行完内存回收后还会产生内存碎片，所以JVM的设计者需要在此基础上进行改进。 标记—压缩（Mark - Compact）算法由此诞生。

1970年后，G.L.Steele、G.J.Chene、D.S.Wise 等研究者发布 标记—压缩 算法，在许多现代的垃圾收集器中，人们都使用了 标记—压缩 算法或其改进版本。

标记压缩算法

执行过程：

第一阶段：与标记—清除算法一样，从根节点开始标记所有被引用对象

第二阶段：将所有存活对象压缩到内存的一端，按顺序排放

最后：清理边界外所有的空间

标记—压缩算法的最终效果等同于标记—清除算法执行完成后，再进行一次内存碎片整理，因此，也可以把它称为 标记—清除—压缩（Mark-Sweep-Compact）算法。

二者的本质差异在于标记—清除算法是一种 非移动式回收算法，标记—压缩是一种 移动式回收算法。是否需要移动回收后的存活对象 是一项 优缺点并存的风险决策。

可以看到，标记的存活对象将会被整理，按照内存地址依次排列，而未被标记的内存会被清理掉。如此一来，当我们需要给新对象分配内存时，JVM只需要持有一个内存的起始地址即可，这比维护一个空闲列表显然少了很多开销。

指针碰撞 （Bump the Pointer）

如果内存空间以规整和有序的方式分布，即已用和未用的内存都各自一边，彼此之间维系着一个记录下一次分配起始点的标记指针，当未新对象分配内存时，只需要通过修改指针的偏移量将新对象分配在第一个空闲内存位置上，这种分配方式就叫做指针碰撞（Bump the Pointer）。

优点：

  • 消除了标记清除算法当中，内存区域分散的缺点，我们需要给新对象分配内存时，JVM只需要持有一个内存的起始地址即可。
  • 消除了复制算法当中，内存减半的高额代价。

缺点：

  • 从效率上来说，标记—整理算法要低于复制算法。
  • 移动对象的同时，如果对象被其他对象引用，则还需要调整引用的地址。
  • 移动过程中，需要全程暂停用户应用程序（Stop the World）。

2.8 清除阶段：算法小结

对比三种算法：

Mark-SweepMark-CompactCopying
速度中等最慢最快
空间开销少（但会堆积碎片）（不堆积碎片）通常需要活对象的2倍大小（不堆积碎片）
移动对象否是是

效率上来说，复制算法是当之无愧的老大，但是浪费了太多内存。

而为了尽量兼顾上面提到的三个指标，标记—整理算法相对来说更平滑一些，但是效率上不尽如人意，它比复制算法多了一个标记阶段，比标记—清除多了一个整理内存的阶段。

2.9 分代收集算法

没有最好的算法，只有最合适的算法。

前面所有这些算法中，并没有一种算法可以完全替代其他算法，它们都具有自己独特的特点。分代收集算法应运而生。

分代收集算法，是基于这样一个事实：不同的对象的生命周期是不一样的。因此，不同生命周期的对象可以采取不同的收集方式，以便提高回收效率。一般是把Java堆分为新生代、老年代，这样就可根据各个年代的特点使用不同的回收算法，以提高垃圾回收的效率。

在Java程序运行过程中，会产生大量的对象，其中有些对象是与业务信息相关，比如Http请求中的Session对象、线程、Socket连接，这类对象跟业务直接挂钩，因此生命周期比较长。但是还有一些对象，主要是程序运行过程中生成的临时变量，这些对象生命周期会比较短，比如：String对象，由于其不变类的特性，系统会产生大量的这些对象，有些对象甚至只用一次即可回收。

目前几乎所有的GC都是采用分代收集（Generational Collecting）算法执行垃圾回收的。

在HotSpot中，基于分代的概念，GC所使用的内存回收算法必须结合年轻代、老年代各自的特点。

  • 年轻代（Young Gen）
    • 年轻代特点：区域相对老年代较小，对象生命周期短、存活率低，回收频繁
    • 这种情况复制算法的回收整理，速度是最快的。复制算法的效率只和当前存活对象大小有关，因此很适用于年轻代的回收。而复制算法内存利用率不高的问题，通过hotspot中的两个survivor的设计得到缓解。
  • 老年代（Tenured Gen）
    • 老年代特点：区域较大，对象生命周期长、存活率高 ，回收不及年轻代频繁。
    • 这种情况存在大量存活率高的对象，复制算法明显变得不合适。一般是由标记—清除算法 / 标记—清除 + 标记—整合混合实现。
      • Mark阶段的开销与存活对象的数量成正比（标记可达对象）。
      • Sweep阶段的开销与所管理区域的大小从成正相关。
      • Compact阶段的开销与存活对象的数量成正比。

以HotSpot 中的 CMS回收器 (老年代回收器) 为例，CMS是基于Mark-Sweep实现的，对于对象的回收效率很高。而对于碎片问题，CMS采用基于 Mark-Compact 算法的 Serial Old回收器 作为补偿措施：当内存回收不佳（碎片导致的Concurrent Mode Failure时），将采用Serial Old执行 Full GC 以达到对老年代内存的整理。

分代的思想被现有的虚拟机广泛使用。几乎所有的垃圾回收器都区分新生代和老年代。

2.10 增量收集算法、分区算法

2.10.1 增量收集算法

上述现有的算法，在垃圾收集过程中，应用软件将处于一种 Stop The World 的状态。在 Stop The World 状态下，应用程序所有的线程都会挂起，暂停一切正常的工作，等待垃圾回收的完成。如果垃圾回收时间过长，应用程序会被挂起很久，将严重影响用户体验或系统稳定性。为了解决此问题，对实时垃圾收集算法的研究使得增量收集（Incremental Collecting）算法诞生。

基本思想：

如果一次性将所有的垃圾进行处理，需要造成系统长时间的停顿，那么就可以让垃圾收集线程和应用程序交替执行。每次，垃圾收集线程只收集一小片区域的内存空间，接着切换到应用程序线程。依次反复，直至垃圾收集完成。

总体上讲，增量收集算法的基础仍是传统—清除、复制算法。增量收集算法通过 对线程间冲突的妥善处理，允许垃圾收集线程以分阶段的方式完成标记、清理/ 复制 工作。

缺点：

使用这种方法，由于在垃圾回收过程中，间断性地还执行了程序的代码，所以能减少系统的停顿时间。但是，因为线程切换、上下文转换的消耗，会使得垃圾回收的总体成本上升，造成系统吞吐量的下降。

2.10.2 分区算法

一般来说，在相同条件下，堆空间越大，一次GC时所需要的时间就越长，有关GC产生的停顿也越长。为了更好地控制GC产生的停顿时间，将一块大的内存区域分割成多个小块，

分代算法将按照对象的生命周期长短划分成两个部分，分区算法将整个堆空间分成连续的不同小区间 region（G1垃圾收集器）。

每一个小区间都独立使用、独立回收。这种算法的好处是可以控制一次回收多少个小区间。

分区算法

这些只是基本算法思路，实际GC实现过程要复杂得多，目前还在发展中的前沿GC都是复合算法，并且并行、并发兼备。

3. 垃圾回收相关概念

3.1 System.gc() 理解

  • 在默认情况下，通过 System.gc() 或 Runtime.getRuntime().gc() 的调用，会显式触发Full GC，同时对老年代、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，无需手动触发，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()。
public class SystemGCTest {
    public static void main(String[] args) {
        new SystemGCTest();
        System.gc();    // 提醒JVM的垃圾回收器执行GC，但是不确定是否马上执行GC。与Runtime.getRuntime().gc()作用一致。
        
        // System.runFinalization();	// 强制调用失去引用的对象的finalize()方法
    }

    @Override
    protected void finalize() throws Throwable {
        super.finalize();
        System.out.println("SystemGCTest 重写了finalize()");
    }
}

未调用System.runFinalization()方法（建议GC 并非一定GC）：

未调用runFinalization方法

调用System.runFinalization()方法：

调用runFinalization方法

/**
 * -XX:+PrintGCDetails
 */
public class LocalVarGC {
    public void localvarGC1() {
        byte[] buffer = new byte[10 * 1024 * 1024];
        System.gc();
    }

    public void localvarGC2() {
        byte[] buffer = new byte[10 * 1024 * 1024];
        buffer = null;
        System.gc();
    }

    public void localvarGC3() {
        {
            byte[] buffer = new byte[10 * 1024 * 1024];
        }
        System.gc();
    }

    public void localvarGC4() {
        {
            byte[] buffer = new byte[10 * 1024 * 1024];
        }
        int value = 10;
        System.gc();
    }

    public void localvarGC5() {
        localvarGC1();
        System.gc();
    }

    public static void main(String[] args) {
        LocalVarGC local = new LocalVarGC();
        // local.localvarGC1(); ~ /**
 * -XX:+PrintGCDetails
 */
public class LocalVarGC {
    public void localvarGC1() {
        byte[] buffer = new byte[10 * 1024 * 1024];
        System.gc();
    }

    public void localvarGC2() {
        byte[] buffer = new byte[10 * 1024 * 1024];
        buffer = null;
        System.gc();
    }

    public void localvarGC3() {
        {
            byte[] buffer = new byte[10 * 1024 * 1024];
        }
        System.gc();
    }

    public void localvarGC4() {
        {
            byte[] buffer = new byte[10 * 1024 * 1024];
        }
        int value = 10;
        System.gc();
    }

    public void localvarGC5() {
        localvarGC1();
        System.gc();
    }

    public static void main(String[] args) {
        LocalVarGC local = new LocalVarGC();
        // local.localvarGC1(); ~ local.localvarGC5(); 依次测试
    }
}

方法 localvarGC1：

localvarGC1

方法 localvarGC2：

localvarGC2

方法 localvarGC3：

localvarGC3

localvarGC3

localvarGC3

方法 localvarGC4：

localvarGC4

localvarGC4

localvarGC4

方法 localvarGC5：

localvarGC5

3.2 内存溢出 & 内存泄漏

3.2.1 内存溢出（OOM）

  • 内存溢出相对于内存泄漏来说，更容易被理解，但它也是引发程序崩溃的罪魁祸首之一。
  • 由于GC一直在发展，所以一般情况下，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，实现不行就会采取独占式的 Full GC 操作，这时候会收回大量的内存，供应用程序继续使用。
  • javadoc中对OutOfMemoryError的解释：没有空闲内存，并且垃圾收集器也无法提供更多的内存。

  • 没有空闲内存的情况：说明Java虚拟机的堆内存不够，原因如下：

    1. Java 虚拟机的堆内存设置不够
      • 比如：可能存在内存泄漏问题：也很可能就是堆的大小不合理，比如我们呢要处理比较客观的数据量，但是没有显式指定 JVM堆大小或者指定数值偏小。我们可以通过参数-Xms、-Xmx来调整。
    2. 代码中创建了大量大对象，并且长时间不能被垃圾收集器收集（存在被引用）
      • 对于老版本的Oracle JDK，因为永久代的大小是有限的，并且JVM堆永久代的垃圾回收（如，常量池回收、卸载不再需要的类）非常不积极，所以当我们不断添加新类型的时候，永久代出现 OutOfMemoryError 也非常多见，尤其是运行时存在大量动态类型生成的场合：类似intern字符串缓存占用太多空间，也会导致OOM问题。对应的异常信息，会标记出来和永久代相关：java.lang.OutOfMemoryError: PermGen Space。
      • 随着元数据区的引入，方法区内存已经不再那么窘迫，所以相应的OOM有所改观，出现OOM，异常信息则变成了：java.lamg.OutOfMemoryError: Metaspace。直接内存不足，也会导致OOM。

  • 在抛出OutOfMemory之前，通常垃圾收集器会被触发，近期所能去清理出空间。

    • 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()方法中，我么能清楚的看到，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。

3.2.2 内存泄漏（Memory Leak）

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，才叫做内存泄漏。

但实际情况很多时候一些不太好的实践（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”。

尽管内存泄露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 OuOfMemory 异常，导致程序崩溃。

注意，这里的存储空间并不是指物理内存，而是指虚拟机内存大小，这个虚拟机内存大小取决于磁盘交换区设定的大小。

内存泄漏

举例：

  1. 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，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。
  2. 一些提供close的资源未关闭导致内存泄漏
    • 数据库连接（dataSource.getConnection()）、网络连接（Socket）、IO连接 必须手动close，否则是不能被回收的。

3.3 Stop The World

  • 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，这个停顿称为STW。

    • 可达性分析算法中枚举根节点（GC Roots）会导致所有Java执行线程停顿。
      • 分析工作必须在一个能够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的电影卡带一样，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、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。

  • 开发中尽量不要用 System.gc()，会导致 Stop-the-World 的发生。

public class StopTheWorldDemo {
    public static class WorkThread extends Thread {
        List<byte[]> list = new ArrayList<>();

        @Override
        public void run() {
            try {
                while (true) {
                    for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                        byte[] buffer = new byte[1024];
                        list.add(buffer);
                    }

                    if (list.size() > 10000) {
                        list.clear();
                        System.gc();    // 会触发 full gc，进而会出现STW事件
                    }
                }
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public static class PrintThread extends Thread {
        public final long startTime = System.currentTimeMillis();

        @Override
        public void run() {
            try {
                while (true) {
                    // 每秒打印时间信息
                    long t = System.currentTimeMillis() - startTime;
                    System.out.println(t / 1000 + "." + t % 1000);
                    Thread.sleep(1000);
                }
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        WorkThread w = new WorkThread();
        PrintThread p = new PrintThread();
        w.start();
        p.start();
    }
}

不启用 (start) WorkThread线程，可以看到，基本维持在1s左右：

不启用WorkThread线程

启用 (start) WorkThread线程，可以看到，时间间隔明显变长了，约为1.3s左右：

启用WorkThread线程

3.4 垃圾回收的并行与并发

3.4.1 并发（Concurrent）

  • 在操作系统中，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把一个时间段划分为几个时间片段（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。

并发

3.4.2 并行（Parallel）

  • 当系统有一个以上CPU时，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。

并行

3.4.3 并发 vs 并行

概念：

  • 并发，指多个事情，在 同一时间段内同时发生了。
  • 并行，指多个事情，在 同一时间点上同时发生了。

资源抢占：

  • 并发的多个任务之间互相抢占资源。
  • 并行的多个任务之间不互相抢占资源。

只有在 多CPU/一CPU多核 的情况下，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。

3.4.4 垃圾回收的并发与并行

并发和并行，在谈论垃圾收集器的上下文语境中，它们可以解释如下：

  • 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;
  • 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，在启动程序的线程。

垃圾回收

  • 并发（Concurrent）：指用户线程、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。
    • 用户程序在继续执行，而垃圾收集程序线程运行于另一个CPU上。
    • 如：CMS、G1

垃圾回收

3.5 安全点 & 安全区域

3.5.1 安全点（Safepoint）

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（Stop-The-World）开始GC，这些位置称为 “安全点（Safepoint）”。

安全点

Safe Point的选择很重要，如果太少可能导致GC等待时间太长，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、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）
    • 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。

3.5.2 安全区域（Safe Region）

Safepoint 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 Safepoint。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

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 看作是被扩展了的 Safepoint。

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，则继续执行，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；

3.6 引用 & 强引用

3.6.1 引用概述

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。

相关问题：强引用、软引用、弱引用、虚引用什么区别？具体使用场景是什么？

在 JDK 1.2 版本之后，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）、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 包种找到它们的身影。

引用

Reference子类中只有终结器引用（Final Reference）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 Refence）：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。【永远不回收】
  • 软引用 （Soft Refence）：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。【内存不足即回收】
  • 弱引用 （Weak Refence）：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，都会回收掉弱引用关联的对象。【发现即回收】
  • 虚引用 （Phantom Refence）：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。【对象回收跟踪】

3.6.2 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99%以上都是强引用），即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。

若强引用的对象是可触及的（可达的），则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，只要超过了引用的引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、如引用的对象是软可触及、弱可触及、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。

测试代码：

public class StrongReferenceTest {
    public static void main(String[] args) {
        StringBuffer str = new StringBuffer("ABC");
        StringBuffer str1 = str;

        str = null;
        System.gc();

        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println(str1);
    }
}

强引用并未进行回收：

强引用未回收

局部变量str指向StringBuffer实例所在堆空间，通过str可以操作该实例，那么str就是StringBuffer实例的强引用。

对应内存结构：

内存结构

本例中的两个引用，都是强引用，其具备以下特点：

  • 强引用可以直接访问目标对象。
  • 强引用所指向的对象在任何时候都不会被系统回收，虚拟机宁愿抛出OOM异常，也不会回收强引用所指向对象。
  • 强引用可能导致内存泄漏。

3.7 软引用（Soft Reference）— 内存不足即回收

软引用是用来描述一些还有用，但非必须的对象。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（第一次回收不可达对象），如果这次回收还没有足够的内存，才会抛出内存溢出异常。

软引用通常用来实现内存敏感的缓存。比如：高速缓存 就有用到软引用。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时，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存活时间长一些，迫不得已才会清理。

应用：MyBatis 某些内部类

软引用：内存足够时，不会回收软引用可达对象；内存足够时，回收软引用可达对象。

在 JDK 1.2 版本之后提供了 java.lang.ref.SoftReference 类来实现软引用。

测试代码：

/**
 * -Xms10m -Xmx10m
 * 10M(1:2)：新生代 3.3M、老年代6.6M
 *
 *  -XX:+PrintGCDetails
 */
public class SoftReferenceTest {
    public static class User {
        public int id;
        public String name;

        public User(int id, String name) {
            this.id = id;
            this.name = name;
        }

        @Override
        public String toString() {
            return "[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, "ABC"));
        // 从软引用中获取对象
        System.out.println(userSoftRef.get());

        System.gc();
        System.out.println("After GC:");
        // 显式GC后，从软引用中获取对象
        System.out.println(userSoftRef.get());  // 由于堆空间内存足够，不会回收软引用的可达对象

        try {
            // 让系统认为内存资源紧张/不够（OOM）
            byte[] b = new byte[1024 * 1024 * 7];
            // byte[] b = new byte[1024 * 7168 - 635 * 1024];
        } catch (Throwable e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            // 再次从软引用中尝试获取对象
            System.out.println(userSoftRef.get());  // 在报OOM之前，垃圾回收器会回收软引用的可达对象
        }
    }
}

测试结果：

软引用测试结果

3.8 弱引用（Weak Reference）— 发现即回收

弱引用也是用来描述哪些非必需对象，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，无论系统堆空间是否充足，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。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。

在 JDK 1.2 版本之后提供了 java.lang.ref.WeakReference 类来实现弱引用。

弱引用对象与软引用对象的最大不同：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。

相关集合：WeakHashMap（缓存用）

测试代码：

public class WeakReferenceTest {
    public static class User {
        public int id;
        public String name;

        public User(int id, String name) {
            this.id = id;
            this.name = name;
        }

        @Override
        public String toString() {
            return "[id = " + id + ", name = " + name + "] ";
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        // 创建对象，建立弱引用
        WeakReference<User> userWeakRef = new WeakReference<>(new User(1, "ABC"));
        // 从弱引用中获取对象
        System.out.println(userWeakRef.get());

        System.gc();
        // 无论当前内存空间是否充足，都会回收掉它
        System.out.println("After GC:");
        // 重新尝试从弱引用中获取对象
        System.out.println(userWeakRef.get());
    }
}

一经GC，就被回收：

一经GC即被回收

3.9 虚引用（Phantom Reference）— 对象回收跟踪

也成为 “幽灵引用” 或 “幻影引用”，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() 方法获取对象时，总是返回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的过程。比如：能在这个对象被收集器回收时收到一个系统通知。

在 JDK 1.2 版本之后提供了 java.lang.ref.PhantomReference 类来实现虚引用。

  • 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。

编写测试代码，借助虚引用，判断对象是否能复活与二次复活：

public class PhantomReferenceTest {
    public static PhantomReferenceTest obj; // 当前类对象的声明
    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 (Exception 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 {    //  finalize()方法 只能被调用一次
        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);  // 设置为守护线程，当程序中没有非守护线程时，守护线程也就执行结束。
        t.start();

        phantomQueue = new ReferenceQueue<>();
        obj = new PhantomReferenceTest();
        // 构造了 PhantomReferenceTest 对象的虚引用，并指定了引用队列
        PhantomReference<PhantomReferenceTest> phantomRef = new PhantomReference<>(obj, phantomQueue);

        try {
            // 不可获取虚引用中的对象
            System.out.println(phantomRef.get());

            // 将强引用去除
            obj = null;
            System.gc();    // 一旦将obj对象回收，就会将此虚引用存放到引用队列中
            // 第一次进行GC，由于对象可复活，GC无法回收该对象
            Thread.sleep(1000);
            if (obj == null) {
                System.out.println("obj 是 null");
            } else {
                System.out.println("obj 可用");
            }

            System.out.println("第 2 次 GC");
            obj = null;
            System.gc();

            Thread.sleep(1000);
            if (obj == null) {
                System.out.println("obj 是 null");
            } else {
                System.out.println("obj 可用");
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

虚引用测试结果

3.10 终结器引用（Final Reference）

  • 它以实现对象的 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入它的 finalize() 方法，第二次 GC 时才能回收被引用对象。

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