引用计数算法

1. 各种编程语言的实现都采用了哪些垃圾回收算法

从各种垃圾收集算法最基本的运行方式来说，大概可以分成三个类型：

1. 引用计数（reference counting）：

基本思路是为每个对象加一个计数器，记录指向这个对象的引用数量。每次有一个新的引用指向这个对象，计数器加一；反之每次有一个指向这个对象引用被置空或者指向其他对象，计数器减一。当计数器变为 0 的时候，自动删除这个对象。

引用计数的优点是 1）相对简单，不需要太多运行时（run-time）的支持，可以在原生不支持 GC 的语言里实现。2）对象会在成为垃圾的瞬间被释放，不会给正常程序的执行带来额外中断。它的死穴是循环引用，对象 A 包含一个引用指向对象 B ，同时对象 B 包含一个引用指向对象 A，计数器就抓瞎了。另外，引用计数对正常程序的执行性能有影响（每次引用赋值都要改计数器），特别是在多线程环境下（改计数器要加锁同步）。

现在仍然主要采用引用计数的例子有 Apple 的 ARC，C++ 新标准里的 std::shared_ptr。

2. 标记-清扫（mark-sweep）。

基本思路是先按需分配，等到没有空闲内存的时候从寄存器和程序栈上的引用出发，遍历以对象为节点、以引用为边构成的图，把所有可以访问到的对象打上标记，然后清扫一遍内存空间，把所有没标记的对象释放。

标记-清扫没有无法处理循环引用的问题，不触发 GC 时也不影响正常程序的执行性能。但它的问题是当内存耗尽触发 GC 时，需要中断正常程序一段时间来清扫内存，在内存大对象多的时候这个中断可能很长。

采用或者部分采用标记-清扫的例子非常多，不一一列举了。

3. 节点复制（ing）。

基本思路是把整个内存空间一分为二，不妨记为 A 和 B。所有对象的内存在 A 中分配，当 A 塞满的时候，同样从寄存器和程序栈上的引用出发，遍历以对象为节点、以引用为边构成的图，把所有可以访问到的对象复制到 B 去，然后对调 A 和 B 的角色。

相对于标记-清扫，节点复制的主要缺点是总有一半空间空闲着无法利用，另一个比较隐晦的缺点是它使用内存的方式与现有的内存换页、Cache 换入换出机制有潜在的冲突。但它有个很大的优点： 所有的对象在内存中永远都是紧密排列的，所以分配内存的任务变得极为简单，只要移动一个指针即可。对于内存分配频繁的环境来说，性能优势相当大。另外，由于不需要清扫整个内存空间，所以如果内存中存活对象很少而垃圾对象很多的话（有些语言有这个倾向），触发 GC 造成的中断会小于标记-清扫。

同样的，采用或者部分采用节点复制的例子也非常多，不一一列举了。

2. java垃圾回收怎么理解

Java的堆是一个运行时数据区，类的实例(对象)从中分配空间。Java虚拟机(JVM)的堆中储存着正在运行的应用程序所建立的所有对象，这些对象通过new、newarray、anewarray和multianewarray等指令建立，但是它们不需要程序代码来显式地释放。一般来说，堆的是由垃圾回收来负责的，尽管JVM规范并不要求特殊的垃圾回收技术，甚至根本就不需要垃圾回收，但是由于内存的有限性，JVM在实现的时候都有一个由垃圾回收所管理的堆。垃圾回收是一种动态存储管理技术，它自动地释放不再被程序引用的对象，按照特定的垃圾收集算法来实现资源自动回收的功能。

垃圾收集的意义

在C++中，对象所占的内存在程序结束运行之前一直被占用，在明确释放之前不能分配给其它对象；而在Java中，当没有对象引用指向原先分配给某个对象的内存时，该内存便成为垃圾。JVM的一个系统级线程会自动释放该内存块。垃圾收集意味着程序不再需要的对象是"无用信息"，这些信息将被丢弃。当一个对象不再被引用的时候，内存回收它占领的空间，以便空间被后来的新对象使用。事实上，除了释放没用的对象，垃圾收集也可以清除内存记录碎片。由于创建对象和垃圾收集器释放丢弃对象所占的内存空间，内存会出现碎片。碎片是分配给对象的内存块之间的空闲内存洞。碎片整理将所占用的堆内存移到堆的一端，JVM将整理出的内存分配给新的对象。

垃圾收集能自动释放内存空间，减轻编程的负担。这使Java 虚拟机具有一些优点。首先，它能使编程效率提高。在没有垃圾收集机制的时候，可能要花许多时间来解决一个难懂的存储器问题。在用Java语言编程的时候，靠垃圾收集机制可大大缩短时间。其次是它保护程序的完整性， 垃圾收集是Java语言安全性策略的一个重要部份。

垃圾收集的一个潜在的缺点是它的开销影响程序性能。Java虚拟机必须追踪运行程序中有用的对象， 而且最终释放没用的对象。这一个过程需要花费处理器的时间。其次垃圾收集算法的不完备性，早先采用的某些垃圾收集算法就不能保证100%收集到所有的废弃内存。当然随着垃圾收集算法的不断改进以及软硬件运行效率的不断提升，这些问题都可以迎刃而解。

垃圾收集的算法分析

Java语言规范没有明确地说明JVM使用哪种垃圾回收算法，但是任何一种垃圾收集算法一般要做2件基本的事情：（1）发现无用信息对象；（2）回收被无用对象占用的内存空间，使该空间可被程序再次使用。

大多数垃圾回收算法使用了根集(root set)这个概念；所谓根集就量正在执行的Java程序可以访问的引用变量的集合(包括局部变量、参数、类变量)，程序可以使用引用变量访问对象的属性和调用对象的方法。垃圾收集首选需要确定从根开始哪些是可达的和哪些是不可达的，从根集可达的对象都是活动对象，它们不能作为垃圾被回收，这也包括从根集间接可达的对象。而根集通过任意路径不可达的对象符合垃圾收集的条件，应该被回收。下面介绍几个常用的算法。

1、 引用计数法(Reference Counting Collector)

引用计数法是唯一没有使用根集的垃圾回收的法，该算法使用引用计数器来区分存活对象和不再使用的对象。一般来说，堆中的每个对象对应一个引用计数器。当每一次创建一个对象并赋给一个变量时，引用计数器置为1。当对象被赋给任意变量时，引用计数器每次加1当对象出了作用域后(该对象丢弃不再使用)，引用计数器减1，一旦引用计数器为0，对象就满足了垃圾收集的条件。

基于引用计数器的垃圾收集器运行较快，不会长时间中断程序执行，适宜地必须 实时运行的程序。但引用计数器增加了程序执行的开销，因为每次对象赋给新的变量，计数器加1，而每次现有对象出了作用域生，计数器减1。

2、tracing算法(Tracing Collector)

tracing算法是为了解决引用计数法的问题而提出，它使用了根集的概念。基于tracing算法的垃圾收集器从根集开始扫描，识别出哪些对象可达，哪些对象不可达，并用某种方式标记可达对象，例如对每个可达对象设置一个或多个位。在扫描识别过程中，基于tracing算法的垃圾收集也称为标记和清除(mark-and-sweep)垃圾收集器.

3、compacting算法(Compacting Collector)

为了解决堆碎片问题，基于tracing的垃圾回收吸收了Compacting算法的思想，在清除的过程中，算法将所有的对象移到堆的一端，堆的另一端就变成了一个相邻的空闲内存区，收集器会对它移动的所有对象的所有引用进行更新，使得这些引用在新的位置能识别原来 的对象。在基于Compacting算法的收集器的实现中，一般增加句柄和句柄表。

4、ing算法(Coping Collector)

该算法的提出是为了克服句柄的开销和解决堆碎片的垃圾回收。它开始时把堆分成 一个对象 面和多个空闲面， 程序从对象面为对象分配空间，当对象满了，基于coping算法的垃圾 收集就从根集中扫描活动对象，并将每个 活动对象复制到空闲面(使得活动对象所占的内存之间没有空闲洞)，这样空闲面变成了对象面，原来的对象面变成了空闲面，程序会在新的对象面中分配内存。

一种典型的基于coping算法的垃圾回收是stop-and-算法，它将堆分成对象面和空闲区域面，在对象面与空闲区域面的切换过程中，程序暂停执行。

5、generation算法(Generational Collector)

stop-and-垃圾收集器的一个缺陷是收集器必须复制所有的活动对象，这增加了程序等待时间，这是coping算法低效的原因。在程序设计中有这样的规律：多数对象存在的时间比较短，少数的存在时间比较长。因此，generation算法将堆分成两个或多个，每个子堆作为对象的一代(generation)。由于多数对象存在的时间比较短，随着程序丢弃不使用的对象，垃圾收集器将从最年轻的子堆中收集这些对象。在分代式的垃圾收集器运行后，上次运行存活下来的对象移到下一最高代的子堆中，由于老一代的子堆不会经常被回收，因而节省了时间。

6、adaptive算法(Adaptive Collector)

在特定的情况下，一些垃圾收集算法会优于其它算法。基于Adaptive算法的垃圾收集器就是监控当前堆的使用情况，并将选择适当算法的垃圾收集器。

透视Java垃圾回收

1、命令行参数透视垃圾收集器的运行

2、使用System.gc()可以不管JVM使用的是哪一种垃圾回收的算法，都可以请求Java的垃圾回收。

在命令行中有一个参数-verbosegc可以查看Java使用的堆内存的情况，它的格式如下：
Java代码 java -verbosegc classfile java -verbosegc classfile

可以看个例子：
Java代码 class TestGC { public static void main(String[] args) </SPAN></li> { new TestGC(); </SPAN></li> System.gc(); System.runFinalization(); } } class TestGC { public static void main(String[] args) { new TestGC(); System.gc(); System.runFinalization(); } }

在这个例子中，一个新的对象被创建，由于它没有使用，所以该对象迅速地变为可达，程序编译后，执行命令： java -verbosegc TestGC 后结果为：
Java代码 [Full GC 168K->97K(1984K)， 0.0253873 secs] [Full GC 168K->97K(1984K)， 0.0253873 secs]
机器的环境为，Windows 2000 + JDK1.3.1，箭头前后的数据168K和97K分别表示垃圾收集GC前后所有存活对象使用的内存容量，说明有168K-97K=71K的对象容量被回收，括号内的数据1984K为堆内存的总容量，收集所需要的时间是0.0253873秒（这个时间在每次执行的时候会有所不同）。

2、finalize方法透视垃圾收集器的运行

在JVM垃圾收集器收集一个对象之前 ，一般要求程序调用适当的方法释放资源，但在没有明确释放资源的情况下，Java提供了缺省机制来终止化该对象心释放资源，这个方法就是finalize（）。它的原型为：

Java代码 protected void finalize() throws Throwable protected void finalize() throws Throwable
在finalize()方法返回之后，对象消失，垃圾收集开始执行。原型中的throws Throwable表示它可以抛出任何类型的异常。

之所以要使用finalize()，是由于有时需要采取与Java的普通方法不同的一种方法，通过分配内存来做一些具有C风格的事情。这主要可以通过"固有方法"来进行，它是从Java里调用非Java方法的一种方式。C和C++是目前唯一获得固有方法支持的语言。但由于它们能调用通过其他语言编写的子程序，所以能够有效地调用任何东西。在非Java代码内部，也许能调用C的malloc()系列函数，用它分配存储空间。而且除非调用了free()，否则存储空间不会得到释放，从而造成内存"漏洞"的出现。当然，free()是一个C和C++函数，所以我们需要在finalize()内部的一个固有方法中调用它。也就是说我们不能过多地使用finalize()，它并不是进行普通清除工作的理想场所。

在普通的清除工作中，为清除一个对象，那个对象的用户必须在希望进行清除的地点调用一个清除方法。这与C++"破坏器"的概念稍有抵触。在C++中，所有对象都会破坏（清除）。或者换句话说，所有对象都"应该"破坏。若将C++对象创建成一个本地对象，比如在堆栈中创建（在Java中是不可能的），那么清除或破坏工作就会在"结束花括号"所代表的、创建这个对象的作用域的末尾进行。若对象是用new创建的（类似于Java），那么当程序员调用C++的delete命令时（Java没有这个命令），就会调用相应的破坏器。若程序员忘记了，那么永远不会调用破坏器，我们最终得到的将是一个内存"漏洞"，另外还包括对象的其他部分永远不会得到清除。

相反，Java不允许我们创建本地（局部）对象--无论如何都要使用new。但在Java中，没有"delete"命令来释放对象，因为垃圾收集器会帮助我们自动释放存储空间。所以如果站在比较简化的立场，我们可以说正是由于存在垃圾收集机制，所以Java没有破坏器。然而，随着以后学习的深入，就会知道垃圾收集器的存在并不能完全消除对破坏器的需要，或者说不能消除对破坏器代表的那种机制的需要（而且绝对不能直接调用finalize()，所以应尽量避免用它）。若希望执行除释放存储空间之外的其他某种形式的清除工作，仍然必须调用Java中的一个方法。它等价于C++的破坏器，只是没后者方便。

关于垃圾收集的几点补充

经过上述的说明，可以发现垃圾回收有以下的几个特点：

（1）垃圾收集发生的不可预知性：由于实现了不同的垃圾收集算法和采用了不同的收集机制，所以它有可能是定时发生，有可能是当出现系统空闲CPU资源时发生，也有可能是和原始的垃圾收集一样，等到内存消耗出现极限时发生，这与垃圾收集器的选择和具体的设置都有关系。

（2）垃圾收集的精确性：主要包括2 个方面：（a）垃圾收集器能够精确标记活着的对象；（b）垃圾收集器能够精确地定位对象之间的引用关系。前者是完全地回收所有废弃对象的前提，否则就可能造成内存泄漏。而后者则是实现归并和复制等算法的必要条件。所有不可达对象都能够可靠地得到回收，所有对象都能够重新分配，允许对象的复制和对象内存的缩并，这样就有效地防止内存的支离破碎。

（3）现在有许多种不同的垃圾收集器，每种有其算法且其表现各异，既有当垃圾收集开始时就停止应用程序的运行，又有当垃圾收集开始时也允许应用程序的线程运行，还有在同一时间垃圾收集多线程运行。

（4）垃圾收集的实现和具体的JVM 以及JVM的内存模型有非常紧密的关系。不同的JVM 可能采用不同的垃圾收集，而JVM 的内存模型决定着该JVM可以采用哪些类型垃圾收集。现在，HotSpot 系列JVM中的内存系统都采用先进的面向对象的框架设计，这使得该系列JVM都可以采用最先进的垃圾收集。

（5）随着技术的发展，现代垃圾收集技术提供许多可选的垃圾收集器，而且在配置每种收集器的时候又可以设置不同的参数，这就使得根据不同的应用环境获得最优的应用性能成为可能。

针对以上特点，我们在使用的时候要注意：

（1）不要试图去假定垃圾收集发生的时间，这一切都是未知的。比如，方法中的一个临时对象在方法调用完毕后就变成了无用对象，这个时候它的内存就可以被释放。

（2）Java中提供了一些和垃圾收集打交道的类，而且提供了一种强行执行垃圾收集的方法--调用System.gc()，但这同样是个不确定的方法。Java 中并不保证每次调用该方法就一定能够启动垃圾收集，它只不过会向JVM发出这样一个申请，到底是否真正执行垃圾收集，一切都是个未知数。

（3）挑选适合自己的垃圾收集器。一般来说，如果系统没有特殊和苛刻的性能要求，可以采用JVM的缺省选项。否则可以考虑使用有针对性的垃圾收集器，比如增量收集器就比较适合实时性要求较高的系统之中。系统具有较高的配置，有比较多的闲置资源，可以考虑使用并行标记/清除收集器。

（4）关键的也是难把握的问题是内存泄漏。良好的编程习惯和严谨的编程态度永远是最重要的，不要让自己的一个小错误导致内存出现大漏洞。

（5）尽早释放无用对象的引用。大多数程序员在使用临时变量的时候，都是让引用变量在退出活动域(scope)后，自动设置为null，暗示垃圾收集器来收集该对象，还必须注意该引用的对象是否被监听，如果有，则要去掉监听器，然后再赋空值。

结束语

一般来说，Java开发人员可以不重视JVM中堆内存的分配和垃圾处理收集，但是，充分理解Java的这一特性可以让我们更有效地利用资源。同时要注意finalize()方法是Java的缺省机制，有时为确保对象资源的明确释放，可以编写自己的finalize方法

3. JVM如何判断哪些对象可以被回收

jvm要做垃圾回收时，首先要判断一个对象是否还有可能被使用。那么如何判断一个对象是否还有可能被用到？
如果我们的程序无法再引用到该对象，那么这个对象就肯定可以被回收，这个状态称为不可达。当对象不可达，该对象就可以作为回收对象被垃圾回收器回收。
那么这个可达还是不可达如何判断呢？
答案就是GC roots ，也就是根对象，如果从一个对象没有到达根对象的路径，或者说从根对象开始无法引用到该对象，该对象就是不可达的。
以下三类对象在jvm中作为GC roots，来判断一个对象是否可以被回收
(通常来说我们只要知道虚拟机栈和静态引用就够了)
虚拟机栈(JVM stack)中引用的对象(准确的说是虚拟机栈中的栈帧(frames))
我们知道，每个方法执行的时候，jvm都会创建一个相应的栈帧(栈帧中包括操作数栈、局部变量表、运行时常量池的引用)，栈帧中包含这在方法内部使用的所有对象的引用(当然还有其他的基本类型数据)，当方法执行完后，该栈帧会从虚拟机栈中弹出，这样一来，临时创建的对象的引用也就不存在了，或者说没有任何gc roots指向这些临时对象，这些对象在下一次GC时便会被回收掉
方法区中类静态属性引用的对象
静态属性是该类型(class)的属性，不单独属于任何实例，因此该属性自然会作为gc roots。只要这个class存在，该引用指向的对象也会一直存在。class 也是会被回收的，在面后说明
本地方法栈(Native Stack)引用的对象
一个class要被回收准确的说应该是卸载，必须同时满足以下三个条件
堆中不存在该类的任何实例
加载该类的classloader已经被回收
该类的java.lang.Class对象没有在任何地方被引用，也就是说无法通过反射再带访问该类的信息
这篇内容太少了，在说几句java中的四种引用类型
其实这四类引用的区别就在于GC时是否回收该对象
强引用(Strong) 就是我们平时使用的方式 A a = new A();强引用的对象是不会被回收的
软引用(Soft) 在jvm要内存溢出(OOM)时，会回收软引用的对象，释放更多内存
弱引用(Weak) 在下次GC时，弱引用的对象是一定会被回收的
虚引用(Phantom) 对对象的存在时间没有任何影响，也无法引用对象实力，唯一的作用就是在该对象被回收时收到一个系统通知

4. 关于GC必须要掌握的基础

原理：当一个对象被创建（一般在堆区）时，同时创建一个引用计数器，当这个对象被引用了，则计数器加1，当引用失效之后，则计数器减1。当计数器为0时，则表示此对象为垃圾

问题：存在循环引用问题。当A引用B，B引用C，C又引用A的话，那么此3个对象永远不会被判断为垃圾

确定某些对象为根对象（GC Roots），从这些根对象出发，遍历找到和这些根对象有引用关系的对象，形成引用链，而不在这些引用链上的对象就被判定为垃圾。

如下图所示，两个浅蓝色的对象即是垃圾。

问题来了，哪些对象可以作为GC Roots？

JVM stack：在虚拟机栈中的对象

native method stack：本地方法栈中的对象

runtime constant pool：运行时常量池中的对象

static reference in method area：在方法区的静态变量

根据可达性算法，将不可达对象标记为垃圾

统一清除所有垃圾

优点：当需要回收的对象较少时，效率较高

缺点：产生大量内存碎片

将内存区域分为两部分，对象只分配在其中一半区域

根据可达性算法，将不可达对象标记为垃圾

将所有存活对象复制到按序复制到另一半区域，当前区域全部清除

优点：解决出现大量内存碎片问题

缺点：一半的内存区域不可用，浪费内存

根据可达性算法，将不可达对象标记为垃圾

将所有存活对象整理复制到内存的一端

优点：无内存碎片问题，不造成内存浪费

缺点：在复制过程中效率较低

众所周知，JVM堆内存是分代管理的，如下。GC在针对不同区域则会采用不同的GC算法

年轻代：存放大量朝生夕死的对象，采用标记复制算法，将eden区和survivor from区的垃圾进行标记，然后将存活对象全部复制到survivor to区。

老年代：存放生命周期长的对象，采用标记整理算法，每次GC将存活对象复制到内存的一端。

简而言之：就是当内存不够时，就会发生GC

Minor GC

时机：Eden无法存放对象时

算法：标记复制算法

Major GC（Full GC）

时机：old区无法存放对象时

算法：标记整理算法

垃圾收集器是区分年轻代和老年代的

采用复制算法的年轻代收集器，单线程进行垃圾回收，回收过程中需要STW（stop the world）

配合使用的老年代收集器：CMS，Serial Old

优点：简单，高效，适用于单核环境下使用

缺点：无法利用现在机器都是多核的优势

Serial的多线程版本，除多线程进行垃圾回收以外，其余均和Serial一致

配合使用的老年代收集器：CMS，Serial Old

优点：利用了多核的功能（在单核环境下，Serial是比ParNew快的）

缺点：回收过程中需要STW，当需要回收的过多时，停顿时间会较长

采用复制算法的年轻代收集器，多线程进行垃圾回收，与ParNew的区别在于它关注了系统的吞吐量

吞吐量 = 运行用户代码的时间 / （运行用户代码的时间 + GC的时间） 高吞吐量的应用适合后台执行的任务

此收集器有两个参数：

-XX:MaxGCPauseMillis：设置垃圾回收的最大停顿时间

-XX:GCTimeRatio：设置垃圾回收时间的占总时间的比率

设置-XX:MaxGCPauseMillis可以提高响应速度，设置-XX:GCTimeRatio可以提高吞吐量，提高CPU的利用效率

另外此收集器还有另一个参数：-XX:UseAdaptiveSizePolicy，开启的话，JVM会根据应用的运行状态，动态设置eden区，survivor区，old区之间的比例，以提供最合适的停顿时间或最大的吞吐量。

Serial收集器的老年代版本，单线程，采用标记整理算法

Parallel Scavenge收集器的老年代版本，多线程，采用标记整理算法

以最短停顿时间为目的的收集器

初始标记：需要STW，标记老年代所有根对象。GC roots直接引用的对象及年轻代中存活对象引用的对象

并发标记：无需STW，标记所有存活对象。从上一阶段找到的根对象开始，进行可达性分析。（JVM会提前把老年代逻辑划分为大小相等的区域Card，因为应用程序并发执行，一些引用关系可能发生变化，，若引用关系发生改变，则将通过card marking将所在区域标记为脏区（dirty card））

最终标记：STW，重新扫描对象，进行重新标记

并发清除和重置：无需STW，清除所有垃圾，回收内存，重置CMS算法的内部数据，为下一次GC做准备

在java 9中开始被启用，在java 14中被删除

优点：降低了STW的时间，提高更好的响应速度

缺点：

最大的问题是对老年代采用的是标记清除算法，会产生大量内存碎片

对CPU资源敏感，因并发步骤较多，占用一部分线程，降低吞吐量

无法处理浮动垃圾（并发清除时，可能会产生新的垃圾，而必须要等到下一次GC处理）

G1逻辑上还保存着年轻代，老年代的概念。实现上，会把内存区域按照固定大小分成若干块，叫做region。每一个region可以属于eden区，也可以属于old区，可动态变化。每次GC都会以region为单位进行回收。通过-XX:MaxGCPauseMills此参数，可设置每次STW最大停顿时间。eg. 当发生young gc时，G1根据最大停顿时间，尽量计算出可清理region的数量，可以不清除所有young区的region，进行GC，做到有效控制GC的停顿时间。

gc算法从整体上来说是标记整理，从单个region上来说是标记复制，会将单个region的存活对象复制到一个空的region上去。

停顿时间不会超过10ms

支持超大内存，达到4TB

故ZGC适用于大内存低延迟的服务

CMS有个很大的问题就是采用的是标记-清除算法，导致碎片化严重，思考一下为何CMS不采用标记整理算法呢？其原因是CMS希望降低STW的时间，那么如果用标记整理，那么在整理时，对象的引用地址会发生变化，此时用户线程是不能访问的，那么就得STW，把引用地址切换之后才能用。这样就会提高STW，所以采用的标记清除。

同理G1在标记复制的时候，也会有STW的过程。而Shennandoah在复制时，采用了读屏障和被称为“Brooks Pointers”的转发指针，避免掉STW过程。

关于垃圾收集器，我基本都是简述，如果对某个收集器感兴趣的话，可以做深入研究

常用组合：