概述

说起垃圾收集（Garbage Collection，GC），大部分人都把这项技术当做Java语言的伴生产物。实际上，GC的历史比Java久远，1960年诞生于MIT的Lisp是第一门真正使用内存动态分配和垃圾收集技术的语言。在胚胎期时，人们就在思考GC需要完成的3件事情：

哪些内存需要回收
什么时候回收
如何回收

为什么我们需要了解GC和内存分呢？答案：当需要排插各种内存溢出、内存泄漏问题时，当垃圾收集称为系统达到更高并发量的瓶颈时，我们就需要对这些技术实施必要的监控和调节。

Java内存运行时区域的各个部分中，其中程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈3个区域随线程而生，随线程而灭；栈中的栈帧随着方法的进入和退出而有条不许地执行着出栈和入栈操作。每一个栈帧中分配多少内存基本上是在类结构确定下来时就已知的，因此这几个区域的内存分配和内存回收都具备确定性，在这几个区域就不需要过多考虑回收的问题，因为方法结束或者线程结束时，内存自然就跟着回收了。

而Java堆和方法区不一样，一个接口中的多个实现类需要的内存可能不一样，一个方法中的多个分支需要的内存也可能不一样，我们只有在程序处于运行期间时才能知道会创建哪些对象，这部分内存的分配和回收都是动态的，垃圾收集器所关注的是这部分内存。

对象已死吗

在堆里面放着Java世界中几乎所有的对象实例，垃圾收集器在对堆进行回收前，第一件事情就是要确定这些对象之中哪些还“存活”着，哪些已经“死去”（即不可能再被任何途径使用的对象）。

引用计数算法(Reference Counting)

给对象中添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器值就加1；当引用失效时，计数器值就减1；任何时刻计数器为0的对象就是不可能再被使用的

缺点：很难解决对象之间相互循环引用的问题

例如：

1 2	objA.instance = objB objB.instance = objA

除此之外，这两个对象再无任何引用，实际上这两个对象已经不可能再被访问了，但是它们因为互相引用着对方，导致它们的引用计数都不为0，于是引用计数算法无法通知GC收集器回收它们。

测试代码如下：

public class ReferenceCountingGC {

    private static final int _1MB = 1024 * 1024;
    public Object instance = null;

    /**
     * 唯一的意思就是占点内存，以便能在GC日志中看清楚是否被回收过.
     */
    private byte[] bigSize = new byte[2 * _1MB];

    public static void main(String[] args) {
        ReferenceCountingGC objA = new ReferenceCountingGC();
        ReferenceCountingGC objB = new ReferenceCountingGC();
        objA.instance = objB;
        objB.instance = objA;

        objA = null;
        objB = null;

        System.gc();
    }
}

结果如下：

[GC (System.gc()) [PSYoungGen: 5973K->528K(9216K)] 5973K->536K(19456K), 0.0013165 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[Full GC (System.gc()) [PSYoungGen: 528K->0K(9216K)] [ParOldGen: 8K->427K(10240K)] 536K->427K(19456K), [Metaspace: 3304K->3304K(1056768K)], 0.0126967 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.01 secs] 
Heap
 PSYoungGen      total 9216K, used 82K [0x00000007bf600000, 0x00000007c0000000, 0x00000007c0000000)
  eden space 8192K, 1% used [0x00000007bf600000,0x00000007bf614920,0x00000007bfe00000)
  from space 1024K, 0% used [0x00000007bfe00000,0x00000007bfe00000,0x00000007bff00000)
  to   space 1024K, 0% used [0x00000007bff00000,0x00000007bff00000,0x00000007c0000000)
 ParOldGen       total 10240K, used 427K [0x00000007bec00000, 0x00000007bf600000, 0x00000007bf600000)
  object space 10240K, 4% used [0x00000007bec00000,0x00000007bec6ac58,0x00000007bf600000)
 Metaspace       used 3311K, capacity 4496K, committed 4864K, reserved 1056768K
  class space    used 369K, capacity 388K, committed 512K, reserved 1048576K

可达性分析算法（Reachability Analysis）

在主流的商用程序语言（Java、C#，甚至包括前面提到的古老的Lisp）的主流实现中，都是称通过可达性分析来断定对象是否存活的。

这个算法的基本思路就是通过一系列的称为“GC Roots”的对象作为起始点，从这些节点开始向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链（Reference Chain），当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连接时，则证明此对象是不可用的。

在Java语言中，可作为GC Roots的对象包括下面几种：

虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象
方法区中类静态属性引用的对象
方法区中常量引用的对象
本地方法栈中JNI（即一般说的Native方法）引用的对象

再谈引用

JDK1.2之后，Java堆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

强引用就是指在程序代码之中普遍存在的，类似“Object obj = new Object()”这类的应用，只要强引用还存在，垃圾收集器永远不会回收掉被引用的对象。
软引用是用来描述一些还有用但并非必须的对象。对于软引用关联着的对象，在系统将要发生内存溢出异常之前，将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。JDK1.2之后提供了 SoftReference类来实现软引用
弱引用也是用来描述非必须对象的，但是它的强度比软引用更弱一些，被弱引用关联的对象只能生存到下一次垃圾收集发生之前。当垃圾收集器工作时，无论当前内存是否足够，都会回收掉只被弱引用关联的对象。在JDK1.2之后，提供了WeakReference类来实现弱应用。
虚引用也成为幽灵引用或者幻影引用，它是最弱的一种引用关系。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取得一个对象实例。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。在JDK1.2之后，提供了PhantomReference类来实现虚引用。

生存还是死亡

即使在可达性分析算法中不可达的对象，也并非是“非死不可”的，这时候它们暂时处于“缓刑”阶段，要真正宣告一个对象死亡，至少要经历两次标记过程：如果对象在进行可达性分析后发现没有与GC Roots相连接的引用链，那它将会被第一次标记并且进行一次筛选，筛选的条件是次对象是否有必要执行finalize()方法。当对象没有覆盖finalize()方法，或者finalize()方法已经被虚拟机调用过，虚拟机将这两种情况都视为“没有必要执行”

如果这个对象被判定有必要执行finalize()方法，那么这个对象将会放置在一个叫做F-Queue的队列之中，并在稍后由一个虚拟机自动建立的、低优先级的Finalizer线程去执行它。finalize()方法时对象逃脱死亡命运的最后一次机会，稍后GC将对F-Queue中的对象进行第二次小规模的标记，如果被某变量或这对象的成员变量引用，则第二次标记时它将被移出“即将回收”的集合；如果对象这时候还没有逃脱，那基本上它就真的被回收了

回收方法区

永久代的垃圾收集主要回收两部分内容：废弃常量和无用的类。回收废弃常量与回收Java堆中的对象非常类似。

假如一个字符串“abc”已经进入常量池中，但是当前系统没有任何一个String对象是叫做“abc”的，换句话说就是没有任何String对象引用常量池中的“abc”常量，也没有其他地方引用了这个字面量，如果这时发生内存回收，而且必要的话，这个“abc”常量会被系统清理出常量池。常量池中的其他类（接口）、方法、字段的符号引用也与此类似。

判断一个常量是否是“废弃常量”比较简单，而要判定一个类是否是“无用类”的条件则相对苛刻许多。类需要满足下面三个条件才算是“无用类”

该类所有的实例都已经被回收，也就是Java堆中不存在该类的任何实例
加载该类的ClassLoader已经被回收
该类对应的java.lang.class 对象没有在任何地方被引用，无法在任何地方通过反射访问该类的方法

虚拟机可以对满足以上3个条件的无用类进行回收，这里说的仅仅是“可以”，而并不是和对象一样，不使用了就必然会回收。是否对类进行回收，HotSpot虚拟机提供了 -Xnoclassgs参数进行控制，还可以使用-verbose:class以及-XX:+TraceLoading、-XX:+TraceClassUnLoading查看类加载和卸载信息，其中 -verbose:class和-XX:+TraceClassLoading可以在Product版的虚拟机中使用，-XX:traceClassUnLoading参数需要FastDebug版的虚拟机支持。

在大量使用反射、动态代理、CGLib等ByteCode框架、动态生成JSP以及OSGi这类频繁自定义ClassLoader的场景都需要虚拟机具备类卸载的功能，以保证永久代不会溢出。