1.垃圾收集的历史
我们谈论起垃圾收集(Garbage Collection, 也就是常说的GC)，大部分的人都把这项技术当做Java语言的伴生产物，而且有很大一部分的人认为Java的垃圾收集机制是不能够完全做好”垃圾”的收集工作。这个对Java垃圾收集机制没有很好了解的人，是会有这样的误解。事实上是，GC的历史比Java久远
1960年诞生于MIT的Lisp是第一门真正的使用内存动态分配和垃圾收集技术的语言，当Lisp还在胚胎期时，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？
现在的Java虚拟机的内存动态分配与内存回收技术已经相当成熟了，你听说过哪个系统因为内存回收失误导致瘫痪的吗？所以我们完全是可以信任Java的内存动态分配和内存回收技术，那么我们为什么还要学习内存分配机制和GC呢？原因是： 当需要排查各种内存溢出、内存泄漏问题时，当垃圾收收集称为系统达到更高并发量的瓶颈的时候，我们就需要对这些”自动化”的技术实施必要的监控和调节。
2.Java中哪些内存需要回收
如果了解了Java内存运行时区域的内存各个部分，那么下面所说的将是很好理解：Java内存运行时区域的内存各个部分，其中程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈3个区域是随着线程而生，随着线程而灭；栈中的栈帧随着方法的进入和退出而有条不紊的执行着出栈和入栈的操作。每一个栈帧中分配多少内存基本上是类结构确定下来时就已经知道了(尽管在运行时期会由JIT编译器进行一些优化，但是大体上可以认为是编译器可以知道的)，因此这几个区域的内存分配和回收都具备确定性，在这个几个区域内就不需要过多的考虑回收的问题，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堆和方法区则不一样，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，我们只有在程序运行时才可能知道会创建哪些对象，这部分内存的分配和回收是动态的，垃圾收集器所关注的是这部分内存。
3.判断对象已经死了吗？
在堆中存放着Java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)，那么下面来看Java中是如何判断对象是否已经死了的方法：
3.1引用计数法算法
引用算法原理：给对象中添加一个引用计数器，每当有一个地方引用过它时，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。
引用计数算法的实现简单，判定效率高，在大部分的情况下是一个不错的算法，也有很多比较著名的应用案例，例如微软公司的COM(Component Object Model)技术、Python语言和在游戏脚本领域被广泛应用的Squirrel中都使用了引用计数算法进行内存管理，但是，至少主流的Java虚拟机里面没有选用引用计数算法来管理内存，其中的一个主要原因是它很难解决对象之间相互循环引用的问题。例如，下面的例子:
public class RefrenceCountGc{
public Object mObject = null;
private static final int _1MB = 1024*1024;
private byte[] bigSzie = new byte[2*_1MB];
public static void main(String[] args){
RefrenceCountGc mObjA = new RefrenceCountGc();
RefrenceCountGc mObjB = new RefrenceCountGc();
mObjA.mObject = mObjB;
mObjA.mObject = mObjA;
mObjA = null;
mObjB = null;
System.gc();
}
}
上面的例子中通过 mObjA.mObject = mObjB和mObjA.mObject = mObjA将两个对象相互引用，所以他们的引用计数器都不为0，因此引用计数器无法通知GC收集器回收他们。
3.2可达性分析算法
在主流的商用程序语言(Java、C#、甚至古老的Lisp)的主流实现中，都是通过可达性分析(Reachability Analysis)来判断对象是否存活的。
可达性分析算法的基本思路是:通过一些列的称为”GC Roots”的对象作为起始点，从这些搜索，搜索所走过的路径称之为引用链(Reference Chain)，当一个对象到GC Root没有任何引用链相连(用图论的话来讲，就是从GC Roots到这个对象不可达)时，则证明此对象是不可用的。如图所示:
在GC Roots Set集合中，其中的一个GC Root与object1, object2, object3, object4是有引用链相连的，所以GC收集器将不会进行对象的回收，相反，object5, object6, object7与GC Roots Set中GC Roots 没有任何的引用链，所以对象将会被GC收集器回收。
在Java语言中，可作为GC Roots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(一般说的Native方法)引用的对象。
4.关于引用
无论是通过引用计数算法判断对象的引用数量，还是通过可达性分析算法判断对象的引用是否可达，判定对象是否存活都与”引用”有关。在JDK1.2以前，Java中的引用的定义很传统:如果reference类型的数据中存储的数值代表的是另一块内存的起始地址，就称这块内存代表着一个引用。这种定义很纯粹，但是太过狭隘，一个对象在这种定义下只有被引用或者没有引用两种状态，那么，对于描述一些”食之无味，弃之可惜”的对象就显得无能为力。我们希望能够描述这样的一类对象：当内存空间还足够时，则保留在内存中；如果内存空间在进行垃圾收集后还是非常紧张，则可以抛弃这些对象。很多系统的缓存功能都符合这样的应用场景。
所以，在JDK1.2之后，Java对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种引用强度依次减弱。
下面我们介绍这4种引用的特点:
强引用：就是指在程序代码之中普遍存在的，类似”Object obj = new Object()” 这类的引用，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。在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回收发生之前。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类来实现弱引用。
虚引用：也称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。
5.“最后的审判”——对象是生存还是死亡
在前文中的可达性算法中，对于在GC Roots Set中没有引用链的对象也并非是“非死不可”的，这个时候的对象它们只是暂时处于”缓刑”阶段，要真正宣告一个对象的死亡，至少还要经过两次标记过程:如果对象在进行可达性分析后发现没有与GC Roots有引用链的，那么它将会被第一次的标记并且进行一次筛选，筛选的条件是此时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为有必要执行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，并在稍后由虚拟机自动化个建立的，低优先级的Finalizer线程去执行它。这里所谓的”执行”是指虚拟机会触发这个方法，但并不会等待它运行结束，这样做的原因是：如果一个对象在finalize（）方法中执行缓慢，或者发生了死循环(更极端的情况)，将很可能会导致F-Queue队列中其他对象处于永久等待，甚至导致整个内存回收系统崩溃。finalize（）方法是对象逃脱死亡的最优一次机会，稍后GC将对F-Queue中的对象进行二次小规模的标记，如果对象要在finalize（）中成功拯救自己———只要重新与引用链上的任何一个对象建立关联即可，例如:把自己(this关键字)赋值给某个类变量或者对象的成员变量，那在第二次标记时它将被移除”即将回收”的集合；如果对象这个时候还没有逃脱，那基本上它就真的被回收了。
请看下面的例子:
/**
* 对象的一个自我拯救例子
*/
public class FinalizeEscapeGC {
public static FinalizeEscapeGC SAVE_SELF = null;
public void isStillAlive(){
System.out.println("是的，我任然存活着！");
}
@Override
protected void finalize() throws Throwable {
super.finalize();
System.out.println("finalize() 方法执行了。" );
FinalizeEscapeGC.SAVE_SELF = this;
}
public static void main(String[] agrs){
SAVE_SELF = new FinalizeEscapeGC();
//对象的第一次自我拯救自己，将会成功拯救
SAVE_SELF = null;
System.gc();
//因为finalize()方法优先级很低，所以暂停0.5秒等他它
try {
Thread.sleep(500);
if (SAVE_SELF != null) {
SAVE_SELF.isStillAlive();
}else {
System.out.println("Oh no, 我已经死亡了！");
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
//下面的代码与上面的代码是一样的，但是拯救失败
SAVE_SELF = null;
System.gc();
//因为finalize()方法优先级很低，所以暂停0.5秒等他它
try {
Thread.sleep(500);
if (SAVE_SELF != null) {
SAVE_SELF.isStillAlive();
}else {
System.out.println("Oh no,我已经死亡了！");
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
上面代码的执行结果如下图:
从运行的结果来看，SAVE_SELF对象的finalize()确实是被GC收集器触发过，并且在被收集前成功逃脱了。
上面的代码中，两段完全一样的代码的执行完后的效果确不一样的，第一次成功逃脱GC,第二次自我拯救却失败了，这是因为任何一个对象的finalize( )方法都会只被系统自动调用一次，如果对象面临下一次回收，它的finalize()方法不会被再次执行，因此第二段代码的自救行动失败了。
上面的第一次自救成功，但是这个方法通常不建议使用来拯救对象。相反，应该尽量避免使用它，因为它运行代价高昂，不确定性大，无法保证各个对象的调用顺序。有些教材中描述他适合做”关闭外部资源”之类的工作，这个完全是对这个方法用途的一种自我安慰。finalize() 能做的所有工作，使用try-finally或者其他方式都可以做得更好、更及时。
6.回收方法区
很多人认为方法区(或者HotSpot虚拟机中的永久代)是没有垃圾收集的，Java虚拟机规范中确实说过可以不要求虚拟机在方法区实现垃圾收集，而且在方法区中进行垃圾收集的”性价比”一般比较低：在堆中，尤其是在新生代中，常规应用进行一次垃圾收集一般可以回收70%-95%的空间，而永久代的垃圾收集效率远低于此。
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。以常量池中字面量的回收为例，假如一个字符串“abc”已经进入了常量池中，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，也没有其它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”bac”常量就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。
判定一个常量是否是”废弃常量”比较简单，而要判断一个类是否是”无用的类”的条件则相对苛刻许多。类需要同时满足下面3个条件才能算是”无用的类”:
- 该类所有的实例已经被回收，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.langClass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.
虚拟机可以对满足上述要求的无用类进行回收这里说的仅仅是”可以”，而不是和对象一样，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-Xnoclassgc参数进行控制，还可以使用-verbose:class以及-XX:+TraceClassLoading、-XX：+TraceClassUnLoading查看类加载写卸载信息，其中-verbose:calss和-XX:+TraceClassLoading可以在Product班的虚拟机中使用，-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、GCLib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。
以上就是自己阅读《深入理解Java虚拟机》的读书笔记，敬请期待更多关于Java虚拟机的知识
