14. 垃圾回收概念 - 《JVM - Java 虚拟机》

14.1 💻 System.gc()
14.2 🎊内存溢出
14.3 🎉 内存泄露
14.4 ⏹️ Stop The World
14.5 📖 垃圾回收的并行与并发
14.6 ⛑️ 安全点和安全区域
14.7 📜 引用

14.1 💻 System.gc()

💬说明

在默认情况下，通过System.gc()或者Runtime.getRuntime().gc()的调用，会显式触发Full GC，同时对老年代和新生代进行回收，尝试释放被丢弃对象占用的内存。
System.gc()调用附带一个免责声明，无法保证对垃圾器的调用。
JVM实现着可以通过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，无须手动触发，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()。

⌨️测试

public class LocalVarGC {
    /**
     * 触发Minor GC没有回收对象，然后在Full GC将该对象存入old区
     */
    public void localVarGC1() {
        byte[] buffer = new byte[10 * 1024 * 1024]; // 10MB
        System.gc(); // 无法回收
    }
    /**
     * 触发Young GC的时候，已经被回收了
     */
    public void localVarGC2() {
        byte[] buffer = new byte[10 * 1024 * 1024]; // 10MB
        buffer = null;
        System.gc(); // 可以回收
    }
    /**
     * 不会回收，因为它还存放在局部变量表索引为1的槽中
     */
    public void localVarGC3() {
        {
            byte[] buffer = new byte[10 * 1024 * 1024]; // 10MB
        }
        System.gc(); // 不会回收
    }
    /**
     * 会被回收，因为它还存放在局部变量表索引为1的槽中，但是后面定义的value把这个槽给替换了
     */
    public void localVarGC4() {
        {
            byte[] buffer = new byte[10 * 1024 * 1024]; // 10MB
        }
        int value = 10;
        System.gc(); // 可以回收
    }
    /**
     * 回收localVarGC1中的buffer
     */
    public void localVarGC5() {
        localVarGC1();
        System.gc(); // 可以回收
    }
    public static void main(String[] args) {
        LocalVarGC localVarGC = new LocalVarGC();
        localVarGC.localVarGC5();
    }
}

14.2 🎊内存溢出

📖概述

内存溢出相对于内存泄露来说，尽管更容易被理解，但是同样的，内存溢出也是引发程序崩溃的罪魁祸首之一。

由于GC一直在发展，所有一般情况下，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，实在不行了就放大招，来一次独占式的FULL FC操作，这时候会回收大量的内存，供应用程序继续使用。

javadoc对OutOfMemoryError的解释是，没有空闲内存，并且垃圾器也无法提供更多内存。

没有空闲内存的情况，原因有二：

Java虚拟机的堆内存设置不够。
代码中创建了大量的对象，并且长时间不能被垃圾器（存在被引用）。
这里面隐含的一层意思是，在抛出OutOfMemory之前，通常垃圾器会被触发，尽其所能去清理空间。
当然，也不是在任何情况下垃圾器都会被触发的。

14.3 🎉 内存泄露

📖概述

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，才叫做内存泄露。

但实际情况很多时候一些不太好的实践（或疏忽）会导致对象的生命周期变得很长甚至导致00M，也可以叫做宽泛意义上的“内存泄漏”。

尽管内存泄漏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OutofMemory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，而是指虚拟内存大小，这个虚拟内存大小取决于磁盘交换区设定的大小。

🥖举例

（1）单例模式

单例的生命周期与应用程序是一样长的，所以单例模式中，如果持有对外部对象的引用的话，那么这个外部对象是不能被回收的，则会导致内存泄露的产生。

（2）一些提供close的资源未关闭

数据库连接、网络连接和IO连接必须受到close，否则是不能被回收的。

14.4 ⏹️ Stop The World

📖概述

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中断的应用程序线程会在完成GC之后恢复，频繁中断会让用户感觉像是网速不快造成电影卡带一样，所以我们需要减少STW的发生。

💬说明

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在后台自动发起和自动完成的。在用户不可见的情况下，把用户正常的工作线程全部停掉。

开发中不要用System.gc()会导致stop-the-world的发生。

14.5 📖 垃圾回收的并行与并发

🚐并发

在操作系统中，并发是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把一个时间段划分成几个时间片段（时间区间），然后在这几个时间区间之间来回切换，由于CPU的处理的速度非常快，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。

🚗并行

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，两个进程互补抢占CPU资源，可以同时进行，我们称之为并行。
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🆚并发

并发，指的是多个事情，在同一时间段内同时发生了。

并行，指的是多个事情，在同一时间点内同时发生了。

并发的多个任务之间是互相抢占资源的，并行的多个任务之间是不互相抢占资源的。

只有在多核CPU或者一个CPU多核的情况中，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。

🗑️垃圾回收

并发和并行，在谈论垃圾器的上下文语境中，它们可以解释如下：

并行：指多条垃圾线程并行工作，但此时用户线程仍处于等待状态。
串行：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，再启动程序的线程。

14.6 ⛑️ 安全点和安全区域

📗安全点(Safe Point)

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开始GC，这些位置称为“安全点”。

安全点的选择很重要，如果太少可能导致GC等待的时间太长，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、循环跳转和异常跳转。

❔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？

抢先式调用（目前没有虚拟机使用）：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。

➕补充

Safe Point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Safe Point。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，就需要安全区域来解决。

✅安全区域(Safe Region)

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。可以把Safe Region看做是被扩展了的Safe Point。

🔰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会忽略表示为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，则继续运行，否则线程必须等待知道可以收到可以安全离开Safe Region的信号为止。

14.7 📜 引用

📖概述

强引用：最传统的“引用”的定义，是指在程序代码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，垃圾器就永远不会回收掉被引用的对象。
软引用：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。
弱引用：被弱引用关联的对象只能生存到下一次垃圾之前。当垃圾器工作时，无论内存空间是否足够，都会回收掉被弱引用关联的对象。
虚引用：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器回收前收到一个系统通知。

1️⃣强引用（Strong Reference/永不回收）

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，也就是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，并将其赋值给另一个变量的时候，这个变量就成为指向该对象的一个强引用。

强引用的对象是可触及的，垃圾器就永远不会回收掉被引用的对象，JVM宁愿抛出OutOfMemory异常也不会回收这种对象。

对于一个普通的对象，如果没有其他的引用关系，只要超过了引用的作用域或者显示地将相应强引用赋值为null，就是可以当作垃圾被了，当然具体回收时机还是要看垃圾策略。

相对的，软引用、弱引和虚对象是软可触及、弱可触及和虚可触及的，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。

实例：

public class StrongReferenceTest {
    /**
     * -Xmx1m -Xms1m
     */
    public static void main(String[] args) {
        Object[] objs = new Object[1000 * 1000];
    }
}

结果：

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

2️⃣软引用（Soft Reference/溢出回收）

软引用是用来描述一些还有，但非必需的对象。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，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的时候，会清理软引用，并可选地把引用存放到一个引用队列。

类似弱引用，只不过Java虚拟机会尽量让软引用的存活时间长一点，迫不得已才清理。

使用场景：创建缓存

实例：

public class SoftReferenceTest {
    /**
     * -Xmx10m -Xms10m
     */
    public static void main(String[] args) {
        /* 声明强引用 */
        Object obj = new Object();
        System.out.println(obj);
        SoftReference<Object> softReference = new SoftReference<Object>(obj);
        /* 销毁强引用 */
        obj = null;
        System.out.println(softReference.get());
        /* 主动进行GC */
        System.gc();
        System.out.println(softReference.get());
        /* 让系统资源紧张 */
        try {
            byte[] bytes = new byte[1024 * 1024 * 7]; // 7m
        } catch (Throwable e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            System.out.println(softReference.get()); // null代表已经被回收
        }
    }
}

结果：

java.lang.Object@1b6d3586
java.lang.Object@1b6d3586
java.lang.Object@1b6d3586
java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
    at top.parak.SoftReferenceTest.main(SoftReferenceTest.java:35)
null

3️⃣弱引用（Weak Reference/发现回收）

弱引用也是用来描述那些非必须对象，只被弱引用关联的对象只能生存到下一次垃圾发生为止。在系统GC时，只要发现弱引用，不管系统堆空间使用是否充足，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。在这种情况下，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，这些缓存又可以存在相当长的时间，从而起到加速系统的作用。

使用场景：WeakHashMap类中的key。

实例：

public class WeakReferenceTest {
    public static void main(String[] args) {
        Object obj = new Object();
        WeakReference<Object> weakReference = new WeakReference<Object>(obj);
        System.out.println(weakReference.get());
       /* 解除强引用 */
        obj = null;
        /* 主动GC */
        System.gc();
        System.out.println(weakReference.get());
    }
}

结果：

java.lang.Object@1b6d3586
null

4️⃣虚引用（Phantom Reference/回收跟踪）

虚引用也称为幽灵引用或者幻影引用，是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，那么和它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()方法取得对象时，总是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过程。比如：能在这个对象被器回收时收到一个系统通知。

使用场景：用于对象销毁前的一些操作，比如资源释放等。

实例：

public class PhantomReferenceTest {
    public static PhantomReferenceTest obj;
    /**
     * 引用队列
     */
    public static ReferenceQueue<PhantomReferenceTest> phantomQueue = null;
    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 (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    if (objt != null) {
                        System.out.println("追踪垃圾回收过程：PhantRefernceTest实例被GC了");
                    }
                }
            }
        }
    }
    @Override
    protected void finalize() throws Throwable {
        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);  // 守护线程
        t.start();
        phantomQueue = new ReferenceQueue<PhantomReferenceTest>();
        obj = new PhantomReferenceTest();
        // 构造了PhantomReference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() = " + phantomRef.get());
            // 第一次GC，由于对象可复活，并指定了引用队列
            System.out.println("=>>> 第一次GC操作");
            obj = null; // 解除强引用
            System.gc();
            Thread.sleep(1000);
            System.out.println(obj == null ? "obj == null" : "obj != null");
            System.out.println("=>>> 第二次GC");
            obj = null; // 解除强引用
            System.gc();
            Thread.sleep(1000);
            System.out.println(obj == null ? "obj == null" : "obj != null");
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
        }
    }
}

结果：

phantomRef.get() = null
=>>> 第一次GC操作
调用当前类的finalize()方法
obj != null
=>>> 第二次GC
追踪垃圾回收过程：PhantRefernceTest实例被GC了
obj == null

5️⃣终结器引用

它用以实现对象的finalize()方法，也可以成为终结器引用。
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用它的finalize()方法，第二次GC时才能回收被引用对象。