JVM垃圾回收也是在“裁员”
最近一看到一道面试题，问JVM中的垃圾回收是怎么一回事？为什么要引入垃圾回收机制，如何进行垃圾回收？哪些对象需要回收？什么时候回收？那今天咱就聊一聊垃圾回收机制，同时结合垃圾回收算法一整篇搞懂JVM是如何进行垃圾回收的。
概述
在开始之前，我将JVM比作目前互联网公司，内存比作公司资源，对象就是员工，垃圾回收比作裁员的一种手段（没有针对谁的意思哈，我也是程序员），这样便于咱理解。
用过Java的同学都知道JVM（Java Virtual Machine）是Java平台的核心组件，它使得Java程序具有“一次编写，到处运行”的能力。JVM通过抽象隔离了底层硬件和操作系统的差异，为Java程序提供了一个统一的运行环境。同时JVM采用分区的方式，将程序的执行情况进行划分，比如运行时数据区、执行引擎、类加载器、本地方法库、本地接口五大区域，每个区域都有好多的内容可以聊，涉及的知识面非常之广泛。
同时JVM也帮我们做了一些性能上的优化，避免在使用过程中引发一些诸如OOM这种异常的情况，因此这不得不引出垃圾回收机制。
为什么需要垃圾回收？
我们都知道服务器有两大存储位置，内存和磁盘，程序在运行时主要占用的就是服务器的内存，创建的对象、声明的常量、创建的类虽然在JVM中存储的区域不同，但本质上都会存储到内存中。JVM中的垃圾回收机制会帮我们定时清理没有指针指向的垃圾对象，释放内存，保证程序的可用性。
同时垃圾回收还会帮我们清理内存碎片，碎片整理将所占用的堆内存移到堆的一端，以便JVM 将整理出的内存分配给新的对象。这也是后面要说的GC的标记整理算法。
在java中，程序员是不需要显示的去释放一个对象的内存的，而是由虚拟机自行执行释放内存的操作。在JVM中有一个低优先级的垃圾回收线程，在正常情况下是不会执行的，只有在虚拟机空闲或者当前堆内存不足时，才会触发执行，或者是手动执行System.gc 触发垃圾回收。扫描那些没有被引用的对象，并将它们添加到要回收的集合中进行回收。
垃圾收集主要是针对运行时数据区中的堆区和方法区进行，因为堆区存储创建的对象，方法区存储一些类信息、方法信息、静态常量、运行时常量等。程序计数器、虚拟机栈和本地方法栈这三个区域属于线程私有的，只存在于线程的生命周期内，线程结束之后就会消失，因此不需要对这三个区域进行垃圾回收。从频率上来说主要有一下几个特点：
- 频繁收集 Young 区
- 较少收集 Old 区
- 基本不收集 Perm 区（元空间）
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如何定义垃圾对象？
垃圾对象是指在内存中所运行的程序中没有任何指针指向的对象，这种对象就需要被回收。一个是内存中，一个是没有指针指向，一个是运行中的程序需要三者都满足。那么有的同学就会问，如果不清理会怎么样？
如果不及时对内存中的垃圾进行清理，那么这些垃圾对象所占的内存空间会一直保留到应用程序的结束，被保留的空间无法被其它对象使用，甚至可能导致内存溢出发生OOM异常。
内存与磁盘关系
有没有同学想过为什么会清理内存而不是清理磁盘呢?
因为程序运行在内存中，为什么要在内存中运行呢？因为内存的读写速度比硬盘快很多（通常超过一个数量级），因为内存为电信号传输，硬盘为电机带动盘片进行数据读写，速度肯定没有内存快呀，这块就更底层了，什么磁盘寻址巴拉拉一堆。
但是我们在部署程序的时候将程序源代码确实传到磁盘当中，并没有传到内存当中，JVM在开始的时候通过类加载器将磁盘中的数据和对象加载到内存当中进行计算处理，就叫做载入内存。因为CPU直接与内存进行数据交互，处理完的数据会保存到内存，类似于我们写Word文档，其实都是在内存中进行操作，如果断电没有保存，写的东西都没了，只有我们在Ctrl+S的时候数据才会存储到磁盘。
言归正传，JVM帮我们清理内存空间，但是每次清理垃圾对象都会造成 STW，因此GC跟不上实际的需求，所以才会不断地尝试对GC进行优化，选择不同的回收算法来提高内存回收效率。
垃圾回收-标记阶段
对象存活判断
在堆里存放着几乎所有的 Java 对象实例，在 GC 执行垃圾回收之前，首先需要区分出内存中哪些是存活对象，哪些是已经死亡的对象。只有被标记为己经死亡的对象，GC 才会在执行垃圾回收时，释放掉其所占用的内存空间，因此这个过程我们可以称为垃圾标记阶段。
那么在 JVM 中究竟是如何标记一个死亡对象呢？
简单来说，当一个对象已经不再被任何的存活对象继续引用时，就可以宣判为已经死亡。
说白了就像公司觉得你没有价值的时候就可以裁你了，扎心了。
判断对象存活一般有两种方式：引用计数算法和可达性分析算法。
标记阶段：引用计数算法
引用计数法就是看对象被其他对象所引用的次数。在对象内部会保存一个整型的计数器属性，用于记录对象被引用的情况。
对于一个对象 A，只要有任何一个对象引用了 A，则 A 的引用计数器就加 1；当引用失效时，引用计数器就减 1。只要对象 A 的引用计数器的值为 0，即表示对象 A 不可能再被使用，可进行回收。
优点：实现简单，垃圾对象便于辨识；判定效率高，回收没有延迟性。
缺点：
- 空间上：它需要单独的字段存储计数器，这样的做法增加了存储空间的开销。
- 时间上：每次赋值都需要更新计数器，伴随着加法和减法操作，这增加了时间开销。
- 引用计数器有一个严重的问题，即无法处理循环引用的情况。这是一条致命缺陷，导致在 Java 的垃圾回收器中没有使用这类算法。
相当于一个程序员干了多少活，干着几个项目，领导有多少活安排给他，如果活多表示价值型高，活为0表示可以回收，只要看谁没有活，就表示要被回收，毕竟一个萝卜一个坑，也便于领导识别，判定效率高，裁员没有延迟性。
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标记阶段：可达性分析算法
可达性分析算法本质上类似于递归，类似先序遍历树一样，从根节点出发，检查对象是否与从根节点遍历过的整条链路中的任何一个对象有直接或者是间接的连接关系，这里的连接指的也就是引用关系，只不过在递归的过程中内存中存活的对象都记录成了一个链路成为引用链（Reference Chain），检查目标对象是否与引用链相连。
说白了就是当一个对象可以被任何途径访问到时,它是存活的。反之,如果一个对象无法被任何途径访问到时,它是垃圾。
在可达性分析算法中，只有能够被根对象集合直接或者间接连接的对象才是存活对象。
对象的 finalization 机制
Java 语言提供了对象终止（finalization）机制来允许开发人员提供对象被销毁之前的自定义处理逻辑。
类似于被开前的工作交接，资源回收和手续办理等逻辑
当垃圾回收器发现没有引用指向一个对象，即：垃圾回收此对象之前，总会先调用这个对象的 finalize()方法。
finalize() 方法允许在子类中被重写，用于在对象被回收时进行资源释放。通常在这个方法中进行一些资源释放和清理的工作，比如关闭文件、套接字和数据库连接等。
永远不要主动调用某个对象的 finalize()方法，应该交给垃圾回收机制调用。理由包括下面三点：
- 在 finalize()时可能会导致对象复活。
- finalize()方法的执行时间是没有保障的，它完全由GC线程决定，极端情况下，若不发生 GC，则 finalize()方法将没有执行机会。
- 一个糟糕的 finalize()会严重影响GC的性能。
从功能上来说，finalize()方法与 C++中的析构函数比较相似，但是 Java 采用的是基于垃圾回收器的自动内存管理机制，所以 finalize()方法在本质上不同于 C++中的析构函数。
由于 finalize()方法的存在，虚拟机中的对象一般处于三种可能的状态。
存活、死亡、待复活
生存还是死亡？
如果从所有的根节点都无法访问到某个对象，说明对象己经不再使用了。一般来说，此对象需要被回收。但事实上，也并非是“非死不可”的，这时候它们暂时处于“缓刑”阶段。一个无法触及的对象有可能在某一个条件下“复活”自己，如果这样，那么对它的回收就是不合理的，为此，定义虚拟机中的对象可能的三种状态。如下：
- 可触及的：从根节点开始，可以到达这个对象。
- 可复活的：对象的所有引用都被释放，但是对象有可能在 finalize()中复活。
也就是比如被裁时领导没有批准，就又复活了
- 不可触及的：对象的 finalize()被调用，并且没有复活，那么就会进入不可触及状态。不可触及的对象不可能被复活，因为finalize()只会被调用一次。
以上 3 种状态中，是由于finalize()方法的存在，进行的区分。只有在对象不可触及时才可以被回收。
对象的finalization具体过程
具体过程（一个员工离职的过程）
判定一个对象 objA 是否可回收，至少要经历两次标记过程：
- 如果对象 objA 到 GC Roots 没有引用链，则进行第一次标记。 检查员工有没有项目关联
- 进行筛选，判断此对象是否有必要执行 finalize()方法 看是否有必要交接资源
3. 如果对象 objA 没有重写 finalize()方法，或者 finalize()方法已经被虚拟机调用过，则虚拟机（领导）视为“没有必要执行”，objA 被判定为不可触及的。
如果没有交接资源或者是领导已经审批过离职手续，那就直接回收
4. 如果对象 objA 重写了 finalize()方法，且还未执行过，那么 objA 会被插入到 F-Queue 队列中，由一个虚拟机自动创建的、低优先级的 Finalizer 线程触发其 finalize()方法执行。
员工有资源需要上交，并且领导还没有直接审批离职流程，就会放到离职队列里排队，然后由领导的美女秘书Finalizer来帮忙回收资源走离职流程
5. finalize()方法是对象逃脱死亡的最后机会，稍后 GC 会对 F-Queue 队列中的对象进行第二次标记。如果 objA 在 finalize()方法中与引用链上的任何一个对象建立了联系，那么在第二次标记时，objA 会被移出“即将回收”集合。之后，对象会再次出现没有引用存在的情况。在这个情况下，finalize 方法不会被再次调用，对象会直接变成不可触及的状态，也就是说，一个对象的 finalize 方法只会被调用一次。
检查员工是否在离职队列中，在的话就再标记一下，然后再次检查一下有没有项目关联，并将其移除队列。如果后面员工彻底没有项目关联了，那直接变成离职状态，复活只复活一次，领导默认审批。
总结
到这里我们梳理了垃圾回收的概念、垃圾对象的概念、为什么要进行垃圾回收、垃圾回收如何筛选存活对象等。借助目前互联网的裁员行为进行了一波对知识点的具象化描述，便于我们加深印象。后面我们单独拎一篇文章出来详解一下怎么进行垃圾回收，垃圾回收清理阶段又有哪些算法，敬请期待