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全面分析Java的垃圾回收机制
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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、copying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-copy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-copy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。
JVM垃圾回收机制是java程序员必须要了解的知识，对于程序调优具有很大的帮助（同时也是大厂面试必问题）。
要了解垃圾回收机制，主要从三个方面：
（1）垃圾回收面向的对象是谁？
（2）垃圾回收算法有哪些？
（3）垃圾收集器有哪些？每个收集器有什么特点。
接下来一一讲解清楚：
一、垃圾回收面向的对象
也就是字面意思， 垃圾 回收嘛，重要的是垃圾，那什么对象是垃圾呢，简单来说就是无用的或已死的对象。这样又引申出来什么对象是已死的，怎么判断对象是否已死？
判断对象是否已死有两种算法和对象引用分类：
（1）引用计数算法：
也是字面意思，通过给对象添加引用计数器，添加引用+1，反之-1。当引用为0的时候，此时对象就可判断为无用的。
优点：实现简单，效率高。
缺点：无法解决循环引用（就是A引用B，B也引用A的情况）的问题。
（2）根搜索算法（也就是GC Roots）：
通过一系列称为GC Roots的对象，向下搜索，路径为引用链，当某个对象无法向上搜索到GC Roots，也就是成为GC Roots不可达，则为无用对象。
如果一个对象是GC Roots不可达，则需要经过两次标记才会进行回收，第一次标记的时候，会判断是否需要执行finalize方法（没必要执行的情况：没实现finalize方法或者已经执行过）。如果需要执行finalize方法，则会放入一个回收队列中，对于回收队列中的对象，如果执行finalize方法之后，没法将对象重新跟GC Roots进行关联，则会进行回收。
很抽象，对吧，来一个明了的解释？
比如手机坏了（不可达对象），有钱不在乎就直接拿去回收（这就是没实现finalize方法），如果已经修过但是修不好了（已经执行过finalize方法），就直接拿去回收站回收掉。如果没修过，就会拿去维修店（回收队列）进行维修，实在维修不好了（执行了finalize方法，但是无法连上GC Roots），就会拿去回收站回收掉了。
那什么对象可以成为GC Roots呢？
1虚拟机栈中的引用对象
2本地方法栈中Native方法引用的对象
2方法区静态属性引用对象
3方法区常量引用对象
（3）对象引用分类
1强引用：例如实例一个对象，就是即使内存不够用了，打死都不回收的那种。
2软引用：有用非必须对象，内存够，则不进行回收，内存不够，则回收。例如A借钱给B，当A还有钱的时候，B可以先不还，A没钱了，B就必须还了。
3弱引用：非必须对象，只能存活到下一次垃圾回收前。
4虚引用：幽灵引用，必须跟引用队列配合使用，目的是回收前收到系统通知。
下面是java的引用类型结构图：
（1）软引用示例
内存够用的情况：
运行结果：
内存不够用的情况：
运行结果：
（2）弱引用示例结果：
无论如何都会被回收
（3）虚引用示例：
运行结果：
解释：为什么2和5的输出为null呢，如下
3为null是因为还没有进行gc，所以对象还没加入到引用队列中，在gc后就加入到了引用队列中，所以6有值。
这个虚引用在GC后会将对象放到引用队列中，所以可以在对象回收后做相应的操作，判断对象是否在引用队列中，可以进行后置通知，类似spring aop的后置通知。
二、垃圾回收发生的区域
垃圾回收主要发生在堆内存里面，而堆内存又细分为 年轻代 和 老年代 ，默认情况下年轻代和老年代比例为1：2，比如整个堆内存大小为3G，年轻代和老年代分别就是1G和2G，想要更改这个比例需要修改JVM参数-XX:NewRatio,
比如-XX:NewRatio=4，那老年代：年轻代=4：1。而年轻代又分为Eden区，S0（Survivor From）和S1（Survivor To）区，一般Eden:S0:S1=8:1:1，如果想要更改此比例，则修改JVM参数-XX:SurvivorRatio=4，此时就是Eden:S0:S1=4:1:1。
在年轻代发生GC称为Young GC，老年代发生GC成为Full GC，Young GC比Full GC频繁。
解析Young GC：
JVM启动后，第一次GC，就会把Eden区存活的对象移入S0区；第二次GC就是Eden区和S0一起GC，此时会把存活的对象移入S1区，S0清空；第三次GC就是Eden区和S1区进行GC，会把存活的对象移入S0区，如此往复循环15次（默认），就会把存活的对象存入老年区。
类似与如果有三个桶，编号分别为1（1号桶内的沙子是源源不断的，就像工地上。你们没去工地搬过砖可能不知道，但是我真的去工地上搬过啊），2，3。1里面装有沙子，需要将沙子筛为细沙。首先将桶1内的沙子筛选一遍过后的放置于桶2，第二次筛选就会将桶1和桶2里面的沙子一起筛，筛完之后放到桶3内，桶2清空。第三次筛选就会将桶1和桶3的沙子一起筛选，晒完放到桶2内，桶3清空。如此往复循环15次，桶2或桶3里面的沙子就是合格的沙子，就需要放到备用桶内以待使用。
上述中桶1就是Eden区，桶2就是S0区，桶3就是S1区。
三、垃圾回收算法
三种，分别是复制算法，标记-清除算法，标记-整理算法。
（1）复制算法。
其会将内存区域分成同样大小的两块，一块用来使用，另外一块在GC的时候存放存活的对象，然后将使用的一块清除。如此循环往复。
适用于新生代。
优点：没有内存碎片，缺点：只能使用一般的内存。
（2）标记-清除算法。
使用所有内存区域，在GC的时候会将需要回收的内存区域先进行标记，然后同意回收。
适用于老年代。
缺点：产生大量内存碎片，会直接导致大对象无法分配内存。
（3）标记-整理算法。
使用所有内存区域，在GC的时候会先将需要回收的内存区域进行标记，然后将存活对象忘一边移动，最后将清理掉边界以外的所有内存。
适用于老年代。
四、GC日志查看
利用JVM参数-XX:+PrintGCDetails就可以在GC的时候打印出GC日志。
年轻代GC日志：
老年代GC日志：
五、垃圾收集器
主要有四类收集器以及七大收集器
四类：
（1）Serial：单线程收集器，阻塞工作线程，它一工作，全部都得停下。
（2）Paralle：Serial的多线程版本，也是阻塞工作线程
（3）CMS（ConcMarkSweep）：并行垃圾收集器，可以和工作线程一起工作。
（4）G1：将堆分成大小一致的区域，然后并发的对其进行垃圾回收。
怎么查看默认的收集器呢？
用JVM参数-XX:+PrintCommandLineFlags，运行之后会输出如下参数。可以看到，jdk1.8默认是Parallel收集器。
七大收集器：
（1）Serial：串行垃圾收集器，单线程收集器。用于新生代。用JVM参数-XX:+UseSerialGC开启，开启后Young区用Serial（底层复制算法），Old区用Serial Old（Serial的老年代版本，底层是标记整理算法）。
（2）ParNew：用于新生代，并行收集器。就是Serial的多线程版本。用JVM参数-XX:+UseParNewGC，young：parnew，复制算法。Old：serialOld，标记整理算法。-XX:ParallecGCThreads限制线程回收数量，默认跟cpu数目一样。只是新生代用并行，老年代用串行。
（3）Parallel Scavenge：并行回收收集器。用JVM参数-XX:+UseParallelGC开启，young：parallel scavenge（底层是复制算法），old：parallel old（parallel的老年代版本，底层是标记整理），新生代老年代都用并行回收器。
这个收集器有两个优点：
可控的吞吐量 ：就是工作线程工作90%的时间，回收线程工作10%的时间，即是说有90%的吞吐量。
自适应调节策略 ：会动态调节参数以获取最短的停顿时间。
（4）Parallel Old：Parallel Scavenge的老年代版本，用的是标记整理算法。用JVM参数-XX:+UseParallelOldGC开启，新生代用Parallel Scavenge，老年代用Parallel Old
（5）CMS（ConcMarkSweep）：并发标记清除。 底层是标记清除算法，所以会产生内存碎片，同时也会耗cpu。 以获取最短回收停顿时间为目标。-XX:+UseConcMarkSweep，新生代用ParNew，老年代用CMS。CMS必须在堆内存用完之前进行清除，否则会失败，这时会调用SerialOld后备收集器。
初始标记和重新标记都会停止工作线程，并发标记和并发清除会跟工作线程一起工作。
（6）SerialOld：老年代串行收集器（以后Hotspot虚拟机会直接移除掉）。
（7）G1：G1垃圾收集器，算法是标记整理，不会产生内存碎片。横跨新生代老年代。实现尽量高吞吐量，满足回收停顿时间更短。
G1可以精确控制垃圾收集的停顿时间，用JVM参数-XX:MaxGCPauseMillis=n，n为停顿时间，单位为毫秒。
区域化内存划片Region，会把整个堆划分成同样大小的区域块（1MB~32MB），最多2048个内存区域块，所以能支持的最大内存为32*2048=65535MB，约为64G。
上图是收集前和收集后的对比，有些对象很大，分割之后就是连续的区域，也即是上图的Humongous。
上述理论可能有点乏味，下图很清晰明了（某度找的）。
下面来一张整个垃圾回收机制的思维导图（太大，分成两部分）。
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我是Liusy，一个喜欢健身的程序猿。
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虽然Java有自动内存回收机制，但是如果是数据库连接、网络连接、文件操作等，不close是不会被回收的，属于不正确的代码。\x0d\x0a也就是说，有close方法，必须得自己调用一下才行。\x0d\x0a垃圾回收机制仅在Java虚拟机所控制的范围内释放资源。\x0d\x0a对于类似于数据库连接、socket以及文件操作等，\x0d\x0a如果有close方法，在你完成任务后执行它\x0d\x0a并且最好在finally块内做close，因为即使发生了例外，这些代码也能被调用。\x0d\x0a对于使用完了的对象来讲，Java不推荐使用类似于C++的析构函数来释放内存（C++中new完后得delete，Java中new完，使用后，将其置\x0d\x0a成null比较好），因为GC会调节最适当的时间来释放内存，在程序中滥用delete会降低Java程序的性能（但应该不会引发额外的错误）。
