一、垃圾回收器

Java中存在着垃圾回收器来回收无用对象的内存，但是存在着一种特殊的情况：因为垃圾回收器只知道如何释放用new创建的对象的内存，假如我们创建的对象不是通过new来分配内存的，那么垃圾回收器就不知道如何回收这部分内存。为了处理这种情况，Java允许在类中定义一个名为finalize()的方法。

它的工作原理"假定"是这样的：当垃圾回收器准备回收对象的内存时，首先会调用其 finalize() 方法，并在下一轮的垃圾回收动作发生时，才会真正回收对象占用的内存。所以如果你打算使用 finalize() ，就能在垃圾回收时做一些重要的清理工作。finalize() 是一个潜在的编程陷阱，因为一些程序员（尤其是 C++ 程序员）会一开始把它误认为是 C++ 中的析构函数（C++ 在销毁对象时会调用这个函数）。所以有必要明确区分一下：在 C++ 中，对象总是被销毁的（在一个 bug-free 的程序中），而在 Java 中，对象并非总是被垃圾回收，或者换句话说：

• 对象可能不被垃圾回收。
• 垃圾回收不等同于析构。

这意味着在你不再需要某个对象之前，如果必须执行某些动作，你得自己去做。Java 没有析构器或类似的概念，所以你必须得自己创建一个普通的方法完成这项清理工作。例如，对象在创建的过程中会将自己绘制到屏幕上。如果不是明确地从屏幕上将其擦除，它可能永远得不到清理。如果在 finalize() 方法中加入某种擦除功能，那么当垃圾回收发生时，finalize() 方法被调用（不保证一定会发生），图像就会被擦除，要是"垃圾回收"没有发生，图像则仍会保留下来。

也许你会发现，只要程序没有濒临内存用完的那一刻，对象占用的空间就总也得不到释放。如果程序执行结束，而垃圾回收器一直没有释放你创建的任何对象的内存，则当程序退出时，那些资源会全部交还给操作系统。这个策略是恰当的，因为垃圾回收本身也有开销，要是不使用它，那就不用支付这部分开销了。

1.1 finalize()的用途

使用垃圾回收的唯一原因就是为了回收程序员不再使用的内存。所以对于与垃圾回收有关的任何行为来说（尤其是finalize()方法），它们也必须同内存及其回收有关。

在Java中，无论对象是如何创建的，垃圾回收器都会负责释放对象所占用的所有内存，这就将finalize()的需求限制到一种特殊情况，即某些对象的存储空间是通过某种创建对象方式之外的方式分配的。但是，在Java中万物皆对象，这种情况是怎么发生的？

看起来之所以有 finalize() 方法，是因为在分配内存时可能采用了类似 C 语言中的做法，而非 Java 中的通常做法。这种情况主要发生在使用"本地方法"的情况下，本地方法是一种用 Java 语言调用非 Java 语言代码的形式（关于本地方法的讨论，见本书电子版第2版的附录B）。本地方法目前只支持 C 和 C++，但是它们可以调用其他语言写的代码，所以实际上可以调用任何代码。在非 Java 代码中，也许会调用 C 的 malloc() 函数系列来分配存储空间，而且除非调用 free() 函数，不然存储空间永远得不到释放，造成内存泄露。但是，free() 是 C 和 C++ 中的函数，所以你需要在 finalize() 方法里用本地方法调用它。

1.2 Java进行内存清理的方式

要清理一个对象，用户必须在需要清理的时候调用执行清理动作的方法。这听上去相当直接，但却与 C++ 中的"析构函数"的概念稍有抵触。在 C++ 中，所有对象都会被销毁，或者说应该被销毁。如果在 C++ 中创建了一个局部对象（在栈上创建，在 Java 中不行），此时的销毁动作发生在以"右花括号"为边界的、此对象作用域的末尾处。如果对象是用 new 创建的（类似于 Java 中），那么当程序员调用 C++ 的 delete 操作符时（Java 中不存在），就会调用相应的析构函数。如果程序员忘记调用 delete，那么永远不会调用析构函数，这样就会导致内存泄露，对象的其他部分也不会得到清理。这种 bug 很难跟踪，也是让 C++ 程序员转向 Java 的一个主要因素。相反，在 Java 中，没有用于释放对象的 delete，因为垃圾回收器会帮助你释放存储空间。甚至可以肤浅地认为，正是由于垃圾回收的存在，使得 Java 没有析构函数。然而，随着学习的深入，你会明白垃圾回收器的存在并不能完全替代析构函数（而且绝对不能直接调用 finalize()，所以这也不是一种解决方案）。如果希望进行除释放存储空间之外的清理工作，还是得明确调用某个恰当的 Java 方法：这就等同于使用析构函数了，只是没有它方便。

记住，无论是"垃圾回收"还是"终结"，都不保证一定会发生。如果 Java 虚拟机（JVM）并未面临内存耗尽的情形，它可能不会浪费时间执行垃圾回收以恢复内存。

1.3 终结条件

在大多数情况下， finalize()方法是不能被使用的 ，所以我们必须创建其他的"清理"方法，并明确地调用它们。所以看起来，finalize() 只对大部分程序员很难用到的一些晦涩内存清理里有用了。但是，finalize() 还有一个有趣的用法，它不依赖于每次都要对 finalize() 进行调用，这就是对象终结条件的验证。

当某个对象即将被清理时，这个对象应该处于某种状态，这种状态下它占用的内存可以被安全地释放掉。例如，如果对象代表了一个打开的文件，在对象被垃圾回收之前程序员应该关闭这个文件。如果对象中存在没有被适当清理的部分，那么程序就会埋下很隐晦的 bug。finalize() 可以用来发现这种情况，尽管它并不总是被调用。如果某次 finalize() 的动作使得 bug 被发现，那么就可以据此找出问题所在——这才是我们真正关心的。以下是个简单的例子，示范了 finalize() 的可能使用方式：

// housekeeping/TerminationCondition.java
// Using finalize() to detect a object that
// hasn't been properly cleaned up

import onjava.*;

class Book {
    boolean checkedOut = false;

    Book(boolean checkOut) {
        checkedOut = checkOut;
    }

    void checkIn() {
        checkedOut = false;
    }

    @Override
    protected void finalize() throws Throwable {
        if (checkedOut) {
            System.out.println("Error: checked out");
        }
        // Normally, you'll also do this:
        // super.finalize(); // Call the base-class version
    }
}

public class TerminationCondition {

    public static void main(String[] args) {
        Book novel = new Book(true);
        // Proper cleanup:
        novel.checkIn();
        // Drop the reference, forget to clean up:
        new Book(true);
        // Force garbage collection & finalization:
        System.gc();
        new Nap(1); // One second delay
    }

}

输出：

Error: checked out

本例的终结条件是：所有的 Book 对象在被垃圾回收之前必须被登记。但在 main() 方法中，有一本书没有登记。要是没有 finalize() 方法来验证终结条件，将会很难发现这个 bug。

你可能注意到使用了 @Override。@ 意味着这是一个注解，注解是关于代码的额外信息。在这里，该注解告诉编译器这不是偶然地重定义在每个对象中都存在的 finalize() 方法——程序员知道自己在做什么。编译器确保你没有拼错方法名，而且确保那个方法存在于基类中。注解也是对读者的提醒，@Override 在 Java 5 引入，在 Java 7 中改善，本书通篇会出现。

注意，System.gc() 用于强制进行终结动作。但是即使不这么做，只要重复地执行程序（假设程序将分配大量的存储空间而导致垃圾回收动作的执行），最终也能找出错误的 Book 对象。

你应该总是假设基类版本的 finalize() 也要做一些重要的事情，使用 super 调用它，就像在 Book.finalize() 中看到的那样。本例中，它被注释掉了，因为它需要进行异常处理，而我们到现在还没有涉及到。

二、垃圾回收器的工作方式

在一部分语言中，堆上分配对象的代价是十分高昂的，然而，Java垃圾回收器可以显著地提高对象的创建速度。这意味着，Java 从堆空间分配的速度可以和其他语言在栈上分配空间的速度相媲美。

例如，你可以把 C++ 里的堆想象成一个院子，里面每个对象都负责管理自己的地盘。一段时间后，对象可能被销毁，但地盘必须复用。在某些 Java 虚拟机中，堆的实现截然不同：它更像一个传送带，每分配一个新对象，它就向前移动一格。这意味着对象存储空间的分配速度特别快。Java 的"堆指针"只是简单地移动到尚未分配的区域，所以它的效率与 C++ 在栈上分配空间的效率相当。

但是注意，Java 中的堆并非完全像传送带那样工作。要是那样的话，势必会导致频繁的内存页面调度——将其移进移出硬盘，页面调度会显著影响性能。其中的秘密在于垃圾回收器的介入。当它工作时，一边回收内存，一边使堆中的对象紧凑排列，这样"堆指针"就可以很容易地移动到更靠近传送带的开始处，也就尽量避免了页面错误。垃圾回收器通过重新排列对象，实现了一种高速的、有无限空间可分配的堆模型。

2.1 引用计数

在理解 Java 中的垃圾回收时，首先了解其他系统中的垃圾回收机制将会很有帮助。一种简单但速度很慢的垃圾回收机制叫做引用计数：这种方法给对象添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器的值就+1；当引用失效时，值就-1；任何时刻计数器为0的对象就是不能再被使用的。垃圾回收器会遍历含有全部对象的列表，当发现某个对象的引用计数为 0 时，就释放其占用的空间（但是，引用计数模式经常会在计数为 0 时立即释放对象）。这个机制存在一个缺点：如果对象之间存在循环引用，那么它们的引用计数都不为 0，就会出现应该被回收但无法被回收的情况。对垃圾回收器而言，定位这样的循环引用所需的工作量极大。引用计数常用来说明垃圾回收的工作方式，但似乎从未被应用于任何一种 Java 虚拟机实现中。

如下的例子说明了循环引用的情况：

public class abc_test {

    public static void main(String[] args) {
        // TODO Auto-generated method stub
        
        MyObject object1=new MyObject();
        MyObject object2=new MyObject();
        
        object1.object=object2;
        object2.object=object1;
        
        object1=null;
        object2=null;
        

    }

}

class MyObject{ 
     MyObject object;
}

后两句将object1和object2都赋值为null，也就是说object1和object2两个引用失效，原对象无法被访问，但是因为它们互相引用对方，导致它们的引用计数器都不为0，那么垃圾收集器永远不会回收它们。

2.2 可达性分析

主流的Java虚拟机采用这样的一种思想：对于任意"活"的对象，一定能最终追溯到其存活在栈或静态存储区中的引用。这个引用链条可能会穿过数个对象层次，由此，如果从栈或静态存储区出发，遍历所有的引用，你将会发现所有"活"的对象。对于发现的每个引用，必须追踪它所引用的对象，然后是该对象包含的所有引用，如此反复进行，直到访问完"根源于栈或静态存储区的引用"所形成的整个网络，你所访问过的对象一定是"活"的。

这种思想称为可达性分析算法，存活在栈或静态存储区中的引用称为”GC Roots“，算法将“GC Roots”作为起始点，从这些结点开始向下搜索，搜索所经过的路径成为“引用链”，当一个对象到GC Roots没有任何引用链时，则证明此对象是不可用的。

如下图所示，对象object 5、object 6、object 7虽然互相有关联，但是它们到GC Roots是不可达的，所以它们将会被判定为是可回收的对象，对象间的循环引用问题在可达性分析算法就得到了解决，因为GC Root在对象图之外，是特别定义的“起点”，不可能被对象图内的对象所引用。

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

在可达性分析算法执行后，我们就知道了哪些对象是”垃圾“而哪些对象依然存活，总的来说，Java虚拟机采用了一种自适应的垃圾回收技术，至于如何处理找到的存活对象，取决于不同的Java虚拟机实现。

2.2.1 复制算法

其中一种做法叫做复制算法，它开始时把堆分成一个对象面和多个空闲面， 程序从对象面为对象分配空间，当对象满了，基于复制算法的垃圾收集器就从根集合（GC Roots）中扫描活动对象，并将每个活动对象复制到空闲面(使得活动对象所占的内存之间没有空闲空间)，这样空闲面变成了对象面，原来的对象面变成了空闲面，程序会在新的对象面中分配内存。

这种算法虽然实现简单，运行高效且不容易产生内存碎片，但是却对内存空间的使用做出了高昂的代价，因为能够使用的内存缩减到原来的一半；并且复制算法的效率跟存活对象的数目多少有很大的关系，如果存活对象很多，那么Copying算法的效率将会大大降低（因为一旦程序进入稳定状态后，可能只会产生少量垃圾，甚至没有垃圾。尽管如此，复制回收器仍然会将所有内存从一处复制到另一处，这很浪费）。

2.2.2 标记-清除/整理算法

所以为了解决上述内存以及效率问题，一些Java虚拟机会进行检查：要是没有新垃圾产生，就会转换到另一种模式（这里就体现了”自适应“的过程），这种模式被称为标记-清除算法，这种算法从根集合（GC Roots）进行扫描，对存活的对象进行标记，标记完毕后，再扫描整个空间中未被标记的对象，进行回收，如下图所示。标记-清除算法不需要进行对象的移动，只需对不存活的对象进行处理，在存活对象比较多的情况下极为高效，但由于标记-清除算法直接回收不存活的对象，因此会造成内存碎片。如果垃圾回收器希望得到连续的内存空间，那么就需要重新整理剩下的对象，这被称为标记-整理算法。

标记-整理算法采用标记-清除算法一样的方式进行对象的标记，但在清除时不同，在回收不存活的对象占用的空间前，会将所有的存活对象往左端空闲空间移动，并更新对应的指针。标记-整理算法是在标记-清除算法的基础上，又进行了对象的移动，因此成本更高，但是却解决了内存碎片的问题。具体流程见下图：

注意上面提到的三种算法，垃圾回收动作都不是在后台进行的，相反，当垃圾回收动作发生的同时，程序将会暂停。

2.2.3 分代收集算法

在我们所讨论的Java虚拟机中，内存分配以较大的”块“为单位。如果对象较大，它会占用单独的块。在每块内存上，我们都可以引入”年代数“的概念，这也引出了分代收集算法，一般来讲，分代收集算法将堆划分为老年代和新生代，老年代的特点是每次垃圾收集时只有少量对象需要被回收，而新生代的特点是每次垃圾回收时都有大量的对象需要被回收，那么就可以根据不同代的特点采取最适合的收集算法。

目前大部分垃圾收集器对于新生代都采取Copying算法，因为新生代中每次垃圾回收都要回收大部分对象，也就是说需要复制的操作次数较少，但是实际中并不是按照1：1的比例来划分新生代的空间的，一般来说是将新生代划分为一块较大的Eden空间和两块较小的Survivor空间（一般为8:1:1），每次使用Eden空间和其中的一块Survivor空间，当进行回收时，将Eden和Survivor中还存活的对象复制到另一块Survivor空间中，然后清理掉Eden和刚才使用过的Survivor空间。

而由于老年代的特点是每次回收都只回收少量对象，一般使用的是标记-整理算法。

年轻代的回收算法：

• 所有新生成的对象首先都是放在年轻代的。年轻代的目标就是尽可能快速的收集掉那些生命周期短的对象。
• 新生代内存按照8:1:1的比例分为一个eden区和两个survivor(survivor0,survivor1)区。大部分对象在Eden区中生成。回收时先将eden区存活对象复制到一个survivor0区，然后清空eden区，当这个survivor0区也存放满了时，则将eden区和survivor0区存活对象复制到另一个survivor1区，然后清空eden和这个survivor0区，此时survivor0区是空的，然后将survivor0区和survivor1区交换，即保持survivor1区为空(为什么保持survivor1为空，答案：为了让eden和survivor0 交换存活对象)， 如此往复。当Eden没有足够空间的时候就会 触发jvm发起一次Minor GC
• 当survivor1区不足以存放 eden和survivor0的存活对象时，就将存活对象直接存放到老年代。若是老年代也满了就会触发一次Full GC(Major GC)，也就是新生代、老年代都进行回收。
• 新生代发生的GC也叫做Minor GC，MinorGC发生频率比较高(不一定等Eden区满了才触发)。

老年代的回收算法：

• 在年轻代中经历了N次垃圾回收后仍然存活的对象，就会被放到年老代中。因此，可以认为年老代中存放的都是一些生命周期较长的对象。
• 内存比新生代也大很多(大概比例是1:2)，当老年代内存满时触发Major GC即Full GC，Full GC发生频率比较低，老年代对象存活时间比较长，存活率标记高。

新生代和老年代的区别：
所谓的新生代和老年代是针对于分代收集算法来定义的，新生代又分为Eden和Survivor两个区。加上老年代就这三个区。数据会首先分配到Eden区 当中（当然也有特殊情况，如果是大对象那么会直接放入到老年代（大对象是指需要大量连续内存空间的java对象）。），当Eden没有足够空间的时候就会 触发jvm发起一次Minor GC。如果对象经过一次Minor GC还存活，并且又能被Survivor空间接受，那么将被移动到Survivor空 间当中。并将其年龄设为1，对象在Survivor每熬过一次Minor GC，年龄就加1，当年龄达到一定的程度（默认为15）时，就会被晋升到老年代 中了，当然晋升老年代的年龄是可以设置的。如果老年代满了就执行：Full GC 因为不经常执行，因此采用了标记-整理算法清理

其实新生代和老年代就是针对于对象做分区存储，更便于回收等等

2.2.4 垃圾回收算法小结

如前文所述，这里讨论的 Java 虚拟机中，内存分配以较大的"块"为单位。如果对象较大，它会占用单独的块。严格来说，复制算法要求在释放旧对象之前，必须先将所有存活对象从旧堆复制到新堆，这导致了大量的内存复制行为。有了块，垃圾回收器就可以把对象复制到废弃的块。每个块都有年代数来记录自己是否存活。通常，如果块在某处被引用，其年代数加 1，垃圾回收器会对上次回收动作之后新分配的块进行整理。这对处理大量短命的临时对象很有帮助。垃圾回收器会定期进行完整的清理动作——大型对象仍然不会复制（只是年代数会增加），含有小型对象的那些块则被复制并整理。Java 虚拟机会监视，如果所有对象都很稳定，垃圾回收的效率降低的话，就切换到标记清除算法。同样，Java 虚拟机会跟踪标记清除算法的效果，如果堆空间出现很多碎片，就会切换回复制方式。这就是"自适应"的由来，你可以给它个啰嗦的称呼："自适应的、分代的、复制、标记清除"式的垃圾回收器。