1. 什麼是垃圾

在提到什麼是垃圾之前，我們先看下面一張圖

從上圖我們可以很明確的知道，java 和 C++語言的區別，就在於垃圾收集技術和內存動態分配上，C語言沒有垃圾收集技術，需要我們手動的收集。垃圾收集，不是Java語言的伴生產物。早在1960年，第一門開始使用內存動態分配和垃圾收集技術的Lisp語言誕生。 關於垃圾收集有三個經典問題：

• 哪些內存需要回收？
• 什麼時候回收？
• 如何回收？

垃圾收集機制是Java的招牌能力，極大地提高了開發效率。如今，垃圾收集幾乎成為現代語言的標配，即使經過如此長時間的發展，Java的垃圾收集機制仍然在不斷的演進中，不同大小的設備、不同特徵的應用場景，對垃圾收集提出了新的挑戰。

1.1 什麼是垃圾？

垃圾是指在運行程序中沒有任何指針指向的對象，這個對象就是需要被回收的垃圾。如果不及時對內存中的垃圾進行清理，那麼，這些垃圾對象所占的內存空間會一直保留到應用程式的結束，被保留的空間無法被其它對象使用，甚至可能導致內存溢出。

2. 為什麼需要GC

對於高級語言來說，一個基本認知是如果不進行垃圾回收，內存遲早都會被消耗完，因為不斷地分配內存空間而不進行回收，就好像不停地生產生活垃圾而從來不打掃一樣。
除了釋放沒用的對象，垃圾回收也可以清除內存里的記錄碎片。碎片整理將所占用的堆內存移到堆的一端，以便jvm將整理出的內存分配給新的對象。
隨著應用程式所應付的業務越來越龐大、複雜，用戶越來越多，沒有GC就不能保證應用程式的正常進行。而經常造成STW的GC又跟不上實際的需求，所以才會不斷地嘗試對GC進行優化。

3. 早期垃圾回收

在早期的C/C++時代，垃圾回收基本上是手工進行的。開發人員可以使用new關鍵字進行內存申請，並使用delete關鍵字進行內存釋放。這種方式可以靈活控制內存釋放的時間，但是會給開發人員帶來頻繁申請和釋放內存的管理負擔。倘若有一處內存區間由於程式設計師編碼的問題忘記被回收，那麼就會產生內存泄漏，垃圾對象永遠無法被清除，隨著系統運行時間的不斷增長，垃圾對象所耗內存可能持續上升，直到出現內存溢出並造成應用程式崩潰。

4. Java垃圾回收機制

4.1 優點

自動內存管理，無需開發人員手動參與內存的分配與回收，這樣降低內存泄漏和內存溢出的風險。如果沒有自動垃圾回收機制，java也會和c語音一樣，各種懸垂指針，野指針，泄露問題讓你頭疼不已。自動內存管理機制，將程式設計師從繁重的內存管理中釋放出來，可以更專心地專注於業務開發

4.2 缺點

對於Java開發人員而言，自動內存管理就像是一個黑匣子，如果過度依賴於「自動」，那麼這將會是一場災難，最嚴重的就會弱化Java開發人員在程序出現內存溢出時定位問題和解決問題的能力。
此時，了解JVM的自動內存分配和內存回收原理就顯得非常重要，只有在真正了解JVM是如何管理內存後，我們才能夠在遇見outofMemoryError時，快速地根據錯誤異常日誌定位問題和解決問題。
當需要排查各種內存溢出、內存泄漏問題時，當垃圾收集成為系統達到更高並發量的瓶頸時，我們就必須對這些「自動化」的技術實施必要的監控和調節。

4.3 GC主要關注的區域

GC主要關注於 方法區 和堆中的垃圾收集

垃圾收集器可以對年輕代回收，也可以對老年代回收，甚至是全棧和方法區的回收

• 其中，Java堆是垃圾收集器的工作重點

從次數上講：

• 頻繁收集Young區
• 較少收集Old區
• 基本不收集Perm區（元空間）

5. System.gc()的理解

在默認情況下，通過system.gc（）者Runtime.getRuntime().gc() 的調用，會顯式觸發FullGC，同時對老年代和新生代進行回收，嘗試釋放被丟棄對象占用的內存。
然而system.gc() )調用附帶一個免責聲明，無法保證對垃圾收集器的調用。(不能確保立即生效)

6. 內存溢出

內存溢出相對於內存泄漏來說，儘管更容易被理解，但是同樣的，內存溢出也是引發程序崩潰的罪魁禍首之一。
由於GC一直在發展，所有一般情況下，除非應用程式占用的內存增長速度非常快，造成垃圾回收已經跟不上內存消耗的速度，否則不太容易出現OOM的情況。
大多數情況下，GC會進行各種年齡段的垃圾回收，實在不行了就放大招，來一次獨占式的FullGC操作，這時候會回收大量的內存，供應用程式繼續使用。

首先說沒有空閒內存的情況：說明Java虛擬機的堆內存不夠。原因有二：

• Java虛擬機的堆內存設置不夠。

比如：可能存在內存泄漏問題；也很有可能就是堆的大小不合理，比如我們要處理比較可觀的數據量，但是沒有顯式指定JVM堆大小或者指定數值偏小。我們可以通過參數-Xms 、-Xmx來調整。

• 代碼中創建了大量大對象，並且長時間不能被垃圾收集器收集（存在被引用）

在拋出OutofMemoryError之前，通常垃圾收集器會被觸發，盡其所能去清理出空間。當然，也不是在任何情況下垃圾收集器都會被觸發的。比如，我們去分配一個超大對象，類似一個超大數組超過堆的最大值，JVM可以判斷出垃圾收集並不能解決這個問題，所以直接拋出OutofMemoryError。

7. 內存泄漏

也稱作「存儲滲漏」。嚴格來說，只有對象不會再被程序用到了，但是GC又不能回收他們的情況，才叫內存泄漏。
但實際情況很多時候一些不太好的實踐（或疏忽）會導致對象的生命周期變得很長甚至導致00M，也可以叫做寬泛意義上的「內存泄漏」。
儘管內存泄漏並不會立刻引起程序崩潰，但是一旦發生內存泄漏，程序中的可用內存就會被逐步蠶食，直至耗盡所有內存，最終出現outofMemory異常，導致程序崩潰。

7.1 舉例

• 單例模式

單例的生命周期和應用程式是一樣長的，所以單例程序中，如果持有對外部對象的引用的話，那麼這個外部對象是不能被回收的，則會導致內存泄漏的產生。

• 一些提供close的資源未關閉導致內存泄漏

資料庫連接（dataSourse.getConnection() ），網絡連接（socket）和io連接必須手動close，否則是不能被回收的。

8. 對象已死？

堆里幾乎存放著java中所有的實例對象，在對堆進行回收前，第一件事情就是要確定這些對象有哪些還 "存活" 著 ？哪些已經 "死去" （不可能再被任何途徑使用的對象）。

8.1 引用計數算法

給對象中增加一個引用計數器，每當一個地方引用它時，計數器值就加1；當引用失效，計數器值就建1；計算器為0的對象就是不可能再被使用的。
引用計數算法的實現簡單，判斷效率也很高，但是它很難解決對象之間的相互循環引用的問題。所以Java沒有選用引用計數算法來管理內存。

8.2 根搜索算法

通過一系列的稱為「GC Roots」的對象作為起始點，從這些節點開始向下搜索，搜索的路徑稱為引用鏈，當一個對象到「GC Roots」沒有任何引用鏈相連的話，也就是GC Roots到這個對象不可達時，證明此對象已經不可用，可以被回收了。
可作為GC roots的對象的包括下面幾種：

• 棧中的對象引用、
• 方法區中常量的引用、
• 方法區中靜態對象的引用、
• 本地方法區中native對象的引用

9. Stop The World

stop-the-world，簡稱STW，指的是GC事件發生過程中，會產生應用程式的停頓。停頓產生時整個應用程式線程都會被暫停，沒有任何響應，有點像卡死的感覺，這個停頓稱為STW。
可達性分析算法中枚舉根節點（GC Roots）會導致所有Java執行線程停頓。

被STW中斷的應用程式線程會在完成GC之後恢復，頻繁中斷會讓用戶感覺像是網速不快造成電影卡帶一樣，所以我們需要減少STW的發生。
STW事件和採用哪款GC垃圾回收器無關所有的GC都有這個事件。哪怕是G1也不能完全避免Stop-the-world情況發生，只能說垃圾回收器越來越優秀，回收效率越來越高，儘可能地縮短了暫停時間。
STW是JVM在後台自動發起和自動完成的。在用戶不可見的情況下，把用戶正常的工作線程全部停掉。開發中不要用system.gc() 會導致stop-the-world的發生。

10. 安全點與安全區域

通過上文我們知道 HotSpot 虛擬機採取的是可達性分析算法。即通過 GC Roots 枚舉判定待回收的對象。那麼，首先要找到哪些是 GC Roots。有兩種查找 GC Roots 的方法：

• 一種是遍歷方法區和棧區查找（保守式 GC）。
• 一種是通過 OopMap 數據結構來記錄 GC Roots 的位置（準確式 GC）。

保守式 GC 的成本太高。準確式 GC 的優點就是能夠讓虛擬機快速定位到 GC Roots。對應 OopMap 的位置即可作為一個安全點（Safe Point）。在執行 GC 操作時，所有的工作線程必須停頓，這就是所謂的」Stop-The-World」。
為什麼呢？
因為可達性分析算法必須是在一個確保一致性的內存快照中進行。如果在分析的過程中對象引用關係還在不斷變化，分析結果的準確性就不能保證。安全點意味著在這個點時，所有工作線程的狀態是確定的，JVM 就可以安全地執行 GC 。

10.1 安全點

程序執行時並非在所有地方都能停頓下來開始GC，只有在特定的位置才能停頓下來開始GC，這些位置稱為「安全點（Safepoint）」。
Safe Point的選擇很重要，如果太少可能導致GC等待的時間太長，如果太頻繁可能導致運行時的性能問題。大部分指令的執行時間都非常短暫，通常會根據「是否具有讓程序長時間執行的特徵」為標準。

比如：選擇一些執行時間較長的指令作為Safe Point，如方法調用、循環跳轉和異常跳轉等。
如何在gc發生時，檢查所有線程都跑到最近的安全點停頓下來呢？

• 搶先式中斷：（目前沒有虛擬機採用）首先中斷所有線程。如果還有線程不在安全點，就恢復線程，讓線程跑到安全點。
• 主動式中斷：設置一個中斷標誌，各個線程運行到Safe Point的時候主動輪詢這個標誌，如果中斷標誌為真，則將自己進行中斷掛起。（有輪詢的機制）

注意：程序運行到安全點，不是一定要進行垃圾回收。而是在這些點上進行垃圾回收，較為安全。所以叫做安全點。

10.2 安全區域

Safepoint 機制保證了程序執行時，在不太長的時間內就會遇到可進入GC的Safepoint。但是，程序「不執行」的時候呢？例如線程處於sleep-狀態或Blocked 狀態，這時候線程無法響應JVM的中斷請求，「走」到安全點去中斷掛起，JVM也不太可能等待線程被喚醒。對於這種情況，就需要安全區域（Safe Region）來解決。
安全區域是指在一段代碼片段中，對象的引用關係不會發生變化，在這個區域中的任何位置開始Gc都是安全的。我們也可以把Safe Region看做是被擴展了的Safepoint。
執行流程：

• 當線程運行到Safe Region的代碼時，首先標識已經進入了Safe Relgion，如果這段時間內發生GC，JVM會忽略標識為Safe Region狀態的線程
• 當線程即將離開Safe Region時，會檢查JVM是否已經完成GC，如果完成了，則繼續運行，否則線程必須等待直到收到可以安全離開Safe Region的信號為止。

11. 強引用、軟引用、虛引用、弱引用

11.1 強引用

當內存不足，jvm開始垃圾回收，對於強引用的對象，就算是出現了OOM也不會對該對象進行回收。這也是Java中最常見的普通對象的引用，只要還有強引用指向這個對象，就不會被垃圾回收。
當這個對象沒有了其他的引用關係，只要是超過了引用的作用域，或者顯示的將強引用賦值為null,一般就可以進行垃圾回收了。

11.2 軟引用

軟引用是相對強引用弱化了一些的引用，對於軟引用的對象來說：

• 當內存充足時，它不會被回收。
• 當內存不足時。會被回收。

通常用在對內存敏感的程序中，就像高速緩存。

11.3 弱引用

發現即回收

弱引用也是用來描述那些非必需對象，被弱引用關聯的對象只能生存到下一次垃圾收集發生為止。在系統GC時，只要發現弱引用，不管系統堆空間使用是否充足，都會回收掉只被弱引用關聯的對象。但是，由於垃圾回收器的線程通常優先級很低，因此，並不一定能很快地發現持有弱引用的對象。在這種情況下，弱引用對象可以存在較長的時間。

弱引用和軟引用一樣，在構造弱引用時，也可以指定一個引用隊列，當弱引用對象被回收時，就會加入指定的引用隊列，通過這個隊列可以跟蹤對象的回收情況。

軟引用、弱引用都非常適合來保存那些可有可無的緩存數據。如果這麼做，當系統內存不足時，這些緩存數據會被回收，不會導致內存溢出。而當內存資源充足時，這些緩存數據又可以存在相當長的時間，從而起到加速系統的作用。
在JDK1.2版之後提供了WeakReference類來實現弱引用

// 聲明強引用
Object obj = new Object();
// 創建一個弱引用
WeakReference<Object> sf = new WeakReference<>(obj);
obj = null; //銷毀強引用，這是必須的，不然會存在強引用和弱引用

弱引用對象與軟引用對象的最大不同就在於，當GC在進行回收時，需要通過算法檢查是否回收軟引用對象，而對於弱引用對象，GC總是進行回收。弱引用對象更容易、更快被GC回收。

開發中使用過WeakHashMap的場景？

WeakHashMap用來存儲圖片信息，可以在內存不足的時候，及時回收，避免了OOM

11.4 虛引用

也稱為「幽靈引用」或者「幻影引用」，是所有引用類型中最弱的一個一個對象是否有虛引用的存在，完全不會決定對象的生命周期。如果一個對象僅持有虛引用，那麼它和沒有引用幾乎是一樣的，隨時都可能被垃圾回收器回收。它不能單獨使用，也無法通過虛引用來獲取被引用的對象。當試圖通過虛引用的get（）方法取得對象時，總是null。為一個對象設置虛引用關聯的唯一目的在於跟蹤垃圾回收過程。比如：能在這個對象被收集器回收時收到一個系統通知。

虛引用必須和引用隊列一起使用。虛引用在創建時必須提供一個引用隊列作為參數。當垃圾回收器準備回收一個對象時，如果發現它還有虛引用，就會在回收對象後，將這個虛引用加入引用隊列，以通知應用程式對象的回收情況。由於虛引用可以跟蹤對象的回收時間，因此，也可以將一些資源釋放操作放置在虛引用中執行和記錄。
在JDK1.2版之後提供了PhantomReference類來實現虛引用。

// 聲明強引用
Object obj = new Object();
// 聲明引用隊列
ReferenceQueue phantomQueue = new ReferenceQueue();
// 聲明虛引用（還需要傳入引用隊列）
PhantomReference<Object> sf = new PhantomReference<>(obj, phantomQueue);
obj = null;