06自动垃圾回收

在C/C++这类没有自动垃圾回收机制的语言中，一个对象如果不再使用，需要手动释放，否则就会出现内存泄漏。我们称这种释放对象的过程为垃圾回收，而需要程序员编写代码进行回收的方式为手动回收。
内存泄漏指的是不再使用的对象在系统中未被回收，内存泄漏的积累可能会导致内存溢出。

Java中为了简化对象的释放，引入了自动的垃圾回收（Garbage Collection简称GC）机制。通过垃圾回收器来对不再使用的对象完成自动的回收，垃圾回收器主要负责对堆上的内存进行回收。其他很多现代语言比如C#、Python、Go都拥有自己的垃圾回收器。

学习垃圾回收机制的目的：
解决系统僵死的问题：大厂的系统出现的许多系统僵死问题都与频繁的垃圾回收有关。
性能优化：对垃圾回收器进行合理的设置可以有效地提升程序的执行性能。

Java虚拟机在运行Java程序过程中管理的内存区域，称之为运行时数据区。

线程不共享的部分，都是伴随着线程的创建而创建，线程的销毁而销毁。而方法的栈帧在执行完方法之后就会自动弹出栈并释放掉对应的内存。所以需要使用垃圾回收器回收的只有方法区和堆区

1.方法区的回收

方法区中能回收的内容主要就是不再使用的类。判定一个类可以被卸载。需要同时满足下面三个条件：

1、此类所有实例对象都已经被回收，在堆中不存在任何该类的实例对象以及子类对象。

这段代码中就将局部变量对堆上实例对象的引用去除了，所以对象就可以被回收。

2、加载该类的类加载器已经被回收。

这段代码让局部变量对类加载器的引用去除，类加载器就可以回收。

3、该类对应的 java.lang.Class 对象没有在任何地方被引用。

如果需要手动触发垃圾回收，可以调用System.gc()方法。
语法： System.gc()
注意事项：调用System.gc()方法并不一定会立即回收垃圾，仅仅是向Java虚拟机发送一个垃圾回收的请求，具体是否需要执行垃圾回收Java虚拟机会自行判断。

开发中此类场景一般很少出现，主要在如 OSGi、JSP 的热部署等应用场景中。每个jsp文件对应一个唯一的类加载器，当一个jsp文件修改了，就直接卸载这个jsp类加载器。重新创建类加载器，重新加载jsp文件。

2.堆回收-引用计数法和可达性分析法

如何判断对象可以回收？垃圾回收器要回收对象的第一步就是判断哪些对象可以回收。Java中的对象是否能被回收，是根据对象是否被引用来决定的。如果对象被引用了，说明该对象还在使用，不允许被回收。

比如下面代码的内存结构图：

第一行代码执行之后，堆上创建了Demo类的实例对象，同时栈上保存局部变量引用堆上的对象。

第二行代码执行之后，局部变量对堆上的对象引用去掉，那么堆上的对象就可以被回收了。

引用计数法会为每个对象维护一个引用计数器，当对象被引用时加1，取消引用时减1。

比如下图中，对象A的计数器初始为0，局部变量a1对它引用之后，计数器加1就变成了1。同样A对B产生了引用，B的计数器也是1。

引用计数法的优点是实现简单，C++中的智能指针就采用了引用计数法，但是它也存在缺点，主要有两点：

这张图上，由于A和B之间存在互相引用，所以计数器都为1，两个对象都不能被回收。但是由于没有局部变量对这两个代码产生引用，代码中已经无法访问到这两个对象，理应可以被回收。

可达性分析算法：Java使用的是可达性分析算法来判断对象是否可以被回收。可达性分析将对象分为两类：垃圾回收的根对象（GC Root）和普通对象，对象与对象之间存在引用关系。

下图中A到B再到C和D，形成了一个引用链，可达性分析算法指的是如果从某个到GC Root对象是可达的，对象就不可被回收。

哪些对象被称之为GC Root对象呢？

• 线程Thread对象，引用线程栈帧中的方法参数、局部变量等。
• 系统类加载器加载的java.lang.Class对象，引用类中的静态变量。

• 监视器对象，用来保存同步锁synchronized关键字持有的对象。

• 本地方法调用时使用的全局对象。

通过arthas和eclipse Memory Analyzer (MAT) 工具可以查看GC Root，MAT工具是eclipse推出的Java堆内存检测工具。具体操作步骤如下：

步骤详解：

1、代码如下：

package com.itheima.jvm.chapter04;

import java.io.IOException;

public class ReferenceCounting {
    public static A a2 = null;
    public static void main(String[] args) throws IOException {
//        while (true){
            A a1 = new A();
            B b1 = new B();
            a1.b = b1;
            b1.a = a1;
            a2 = a1;
            System.in.read();
//            a1 = null;
//            b1 = null;
//        }

    }
}

class A {
    B b;
//    byte[] t = new byte[1024 * 1024 * 10];
}

class B {
    A a;
//    byte[] t = new byte[1024 * 1024 * 10];
}

2、使用arthas连接到程序，输入如下命令:

heapdump 目录/test2.hprof

这样就生成了一个堆内存快照（后面介绍，简单来说就是包含了所有堆中的对象信息）。

3、打开资料中提供的MAT工具，如果出现如下错误，请将环境变量中的JDK版本升级到17以上。

4、选择菜单中的打开堆内存快照功能，并选择刚才生成的文件。

5、选择内存泄漏检测报告，并确定。

6、通过菜单找到GC Roots。

7、MAT对4类GC Root对象做了分类。

8、找到静态变量。

9、找到局部变量

3.堆回收-常见的对象引用

可达性算法中描述的对象引用，一般指的是强引用，即是GCRoot对象对普通对象有引用关系，只要这层关系存在，普通对象就不会被回收。除了强引用之外，Java中还设计了几种其他引用方式：

• 软引用
• 弱引用
• 虚引用
• 终结器引用

3.1软引用

软引用相对于强引用是一种比较弱的引用关系，如果一个对象只有软引用关联到它，当程序内存不足时，就会将软引用中的数据进行回收。在JDK 1.2版之后提供了SoftReference类来实现软引用，软引用常用于缓存中。

如下图中，对象A被GC Root对象强引用了，同时我们创建了一个软引用SoftReference对象（它本身也是一个对象），软引用对象中引用了对象A。

接下来强引用被去掉之后，对象A暂时还是处于不可回收状态，因为有软引用存在并且内存还够用。

如果内存出现不够用的情况，对象A就处于可回收状态，可以被垃圾回收器回收。

这样做有什么好处？如果对象A是一个缓存，平时会保存在内存中，如果想访问数据可以快速访问。但是如果内存不够用了，我们就可以将这部分缓存清理掉释放内存。即便缓存没了，也可以从数据库等地方获取数据，不会影响到业务正常运行，这样可以减少内存溢出产生的可能性。

特别注意：软引用对象本身，也需要被强引用，否则软引用对象也会被回收掉。

软引用的执行过程如下：

代码：

/**
 * 软引用案例2 - 基本使用
 */
public class SoftReferenceDemo2 {
    public static void main(String[] args) throws IOException {

        byte[] bytes = new byte[1024 * 1024 * 100];
        SoftReference<byte[]> softReference = new SoftReference<byte[]>(bytes);
        bytes = null;
        System.out.println(softReference.get());

        byte[] bytes2 = new byte[1024 * 1024 * 100];
        System.out.println(softReference.get());
//
//        byte[] bytes3 = new byte[1024 * 1024 * 100];
//        softReference = null;
//        System.gc();
//
//        System.in.read();
    }
}

软引用对象本身怎么回收呢？

如果软引用对象里边包含的数据已经被回收了，那么软引用对象本身其实也可以被回收了。

SoftReference提供了一套队列机制：

1、软引用创建时，通过构造器传入引用队列

2、在软引用中包含的对象被回收时，该软引用对象会被放入引用队列

3、通过代码遍历引用队列，将SoftReference的强引用删除
代码

/** * 软引用案例3 - 引用队列使用 */publicclassSoftReferenceDemo3 {

    publicstaticvoidmain(String[] args) throwsIOException {

        ArrayList<SoftReference> softReferences = newArrayList<>();
        ReferenceQueue<byte[]> queues = newReferenceQueue<byte[]>();
        for(inti = 0; i < 10; i++) {
            byte[] bytes = newbyte[1024 * 1024 * 100];
            SoftReference studentRef = newSoftReference<byte[]>(bytes,queues);
            softReferences.add(studentRef);
        }

        SoftReference<byte[]> ref = null;
        intcount = 0;
        while((ref = (SoftReference<byte[]>) queues.poll()) != null) {
            count++;
        }
        System.out.println(count);

    }
}

软引用的缓存案例

使用软引用实现学生信息的缓存，能支持内存不足时清理缓存。

代码：

package chapter04.soft;

import java.lang.ref.ReferenceQueue;
import java.lang.ref.SoftReference;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
/**
 * 软引用案例4 - 学生信息的缓存
 */
public class StudentCache {

    private static StudentCache cache = new StudentCache();

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; ; i++) {
            StudentCache.getInstance().cacheStudent(new Student(i, String.valueOf(i)));
        }
    }

    private Map<Integer, StudentRef> StudentRefs;// 用于Cache内容的存储
    private ReferenceQueue<Student> q;// 垃圾Reference的队列

    // 继承SoftReference，使得每一个实例都具有可识别的标识。
    // 并且该标识与其在HashMap内的key相同。
    private class StudentRef extends SoftReference<Student> {
        private Integer _key = null;

        public StudentRef(Student em, ReferenceQueue<Student> q) {
            super(em, q);
            _key = em.getId();
        }
    }

    // 构建一个缓存器实例
    private StudentCache() {
        StudentRefs = new HashMap<Integer, StudentRef>();
        q = new ReferenceQueue<Student>();
    }

    // 取得缓存器实例
    public static StudentCache getInstance() {
        return cache;
    }

    // 以软引用的方式对一个Student对象的实例进行引用并保存该引用
    private void cacheStudent(Student em) {
        cleanCache();// 清除垃圾引用
        StudentRef ref = new StudentRef(em, q);
        StudentRefs.put(em.getId(), ref);
        System.out.println(StudentRefs.size());
    }

    // 依据所指定的ID号，重新获取相应Student对象的实例
    public Student getStudent(Integer id) {
        Student em = null;
// 缓存中是否有该Student实例的软引用，如果有，从软引用中取得。
        if (StudentRefs.containsKey(id)) {
            StudentRef ref = StudentRefs.get(id);
            em = ref.get();
        }
// 如果没有软引用，或者从软引用中得到的实例是null，重新构建一个实例，
// 并保存对这个新建实例的软引用
        if (em == null) {
            em = new Student(id, String.valueOf(id));
            System.out.println("Retrieve From StudentInfoCenter. ID=" + id);
            this.cacheStudent(em);
        }
        return em;
    }

    // 清除那些所软引用的Student对象已经被回收的StudentRef对象
    private void cleanCache() {
        StudentRef ref = null;
        while ((ref = (StudentRef) q.poll()) != null) {
            StudentRefs.remove(ref._key);
        }
    }

//    // 清除Cache内的全部内容
//    public void clearCache() {
//        cleanCache();
//        StudentRefs.clear();
//        //System.gc();
//        //System.runFinalization();
//    }
}

class Student {
    int id;
    String name;

    public Student(int id, String name) {
        this.id = id;
        this.name = name;
    }

    public int getId() {
        return id;
    }

    public void setId(int id) {
        this.id = id;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
}

3.2弱引用、虚引用、终结器引用

• 弱引用的整体机制和软引用基本一致，区别在于弱引用包含的对象在垃圾回收时，不管内存够不够都会直接被回收。在JDK 1.2版之后提供了WeakReference类来实现弱引用，弱引用主要在ThreadLocal中使用。

• 虚引用也叫幽灵引用/幻影引用，不能通过虚引用对象获取到包含的对象。虚引用唯一的用途是当对象被垃圾回收器回收时可以接收到对应的通知。Java中使用PhantomReference实现了虚引用，直接内存中为了及时知道直接内存对象不再使用，从而回收内存，使用了虚引用来实现。

• 终结器引用指的是在对象需要被回收时，终结器引用会关联对象并放置在Finalizer类中的引用队列中，在稍后由一条由FinalizerThread线程从队列中获取对象，然后执行对象的finalize方法，在对象第二次被回收时，该对象才真正的被回收。在这个过程中可以在finalize方法中再将自身对象使用强引用关联上，但是不建议这样做。

4.垃圾回收算法

4.1标记清除算法

4.2复制算法

4.3标记整理算法

4.4分代垃圾回收算法

5垃圾回收器