细说JVM的垃圾回收机制

什么是垃圾回收？

从字面看来，按字面意思来理解就是--找到垃圾对象并将他们抛弃掉；事实却正好相反，垃圾回收是把处于活动状态的对象找出来，而将剩余的对象标记为垃圾对象。基于此理论，我们来详细描述java virtual machine的自动垃圾回收机制。

我们首先从最基础的垃圾回收的一些属性、概念、方法讲起，而不会直奔主题：JVM的垃圾回收机制。

声明： 这边文章主要论述Oracle HotSpot和OpenJDK的垃圾回收机制。至于其它的一些JVM，例如JRockit或者IBM J9，它们可能采用了不同机制来实现垃圾回收。

手动管理内存（Mannual memory management）

在介绍现代的自动垃圾回收机制之前，先让我们回到手动为数据分配内存，然后再手动回收这些内存的时代吧。在这个年代，如果你忘记了释放这些已分配的内存，那么就不能再重新使用这些内存空间了。这些内存虽然已经被声明进行了分配，但是确不能再使用，我们管这样的场景就叫：内存泄漏。

下面是一段用C语言开发的手动管理内存的代买：

int send_request() {
    size_t n = read_size();
    int *elements = malloc(n * sizeof(int));

    if(read_elements(n, elements) < n) {
        // elements not freed!
        return -1;
    }

    // …

    free(elements)
    return 0;
}

从代码当中我们可以看出，很容易忘记去释放内存，从而很容易发生内存泄漏问题。发生内存泄漏以后，我们只能通过排查代码的方式找到具体的原因。所以，最好的方式就是有一种机制，自动的去回收不再使用的内存，从而降低人为错误的概率。这种自动回收内存的机制就叫Garbage Collection（简称：GC）。

智能指针

实现自动化垃圾回收的最直接的一种方式就是利用destructor。例如，我们可以利用C++里得vector来实现，当变量从vector脱离以后，destructor就会自动被调用，从而回收内存：

int send_request() {
    size_t n = read_size();
    vector<int> elements = vector<int>(n);

    if(read_elements(elements.size(), &elements[0]) < n) {
        return -1;
    }

    return 0;
}

但是在一些复杂的场景中，特别是共享对象被多线程同时引用的时候，单单利用destructor明显不能满足需求。基于以上的场景，最简单的方式就是：对对象的被引用进行计数。针对每个对象，我们会记录下这个对象当下被引用的次数是多少，当被引用的次数变为0的时候，表明这个对象占用的内存就可以被回收了。很著名的一个实现就是利用C++的共享指针了：

int send_request() {
    size_t n = read_size();
    auto elements = make_shared<vector<int>>();

    // read elements

    store_in_cache(elements);

    // process elements further

    return 0;
}

为了避免函数在被调用的时候，元素再一次被读取，我们可以将其放进缓存，在这种场景下，利用vector来进行对象销毁就不可行了。因此，我们改为利用shared_ptr,它将持续关注元素的被引用数，当指针在其它地方被引用的时候，引用数就会加一，当指针被释放的时候，引用数就会减一，当引用数被减为0时，shared_ptr就是删除所关联的vector。

自动化内存管理（Automated memory management）

观察上面的C++代码，我们可以明确什么时候需要关心内存的管理。但是，我们如果将这种机制应用到所有的对象上面将会怎么样？这将使得我们的工作变得非常顺手，因为，作为开发者，再也不用关心垃内存回收的问题了。在运行的过程当中，将自动检测出不再被使用的对象，并清除它们以便释放内存空间。换句话说，就是自动进行垃圾回收。第一个垃圾回收器是LISP语言的，诞生于1959年，以后的日子了，这项技术在不断的进步。

引用计数法（reference counting）

很多的语言，例如Perl、PHP、Python都是采用我们上文提到的C++共享指针的方式进行垃圾回收。通过下图可能展示的更清晰：

绿色的云区域表示被他们所引用的对象还在被程序所使用，这些对象可能是当前运行方法里的本地变量，也可能为一些静态变量，或者其它的一些对象。每种语言与每种语言在这方面可能会有不同，但这些不是重点。

蓝色的链路代表内存中的活跃对象调用链路，圆圈的数字标识了这个对象当前被引用的次数。灰色的链条代表了那些没有再被显示引用到的对象（指得是那些被绿色的云引用到的对象）。灰色的对象就是可以被垃圾回收器回收的垃圾对象了。

这个方法看起来真的很好，但是却有一个致命的缺陷，就是会产生分离的垃圾闭环，上面的对象实际上已经没有意义了，但是它们的被引用数又都不为零。如下图所示：

图中的红色闭环，实际上已经成为了应用程序不再使用的垃圾对象，但是由于被引用数不为零，所以不能被回收，从而造成了内存泄漏的问题。

有很多的办法可以解决这个问题，例如可以利用弱引用的方式（‘weak’reference），也可以采用单独的算法对闭环链路进行垃圾回收。我们上文提到的Perl、Python、PHP都会采用其中的一种方式来进行垃圾回收。我们将不会对它们的实现进行详细描述，而是在后续的章节当中，对JVM的机制进行详细解读。

细说JVM的垃圾回收机制

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