12.1. System.gc()的理解

在默認(rèn)情況下，通過system.gc()或者Runtime.getRuntime().gc() 的調(diào)用，會顯式觸發(fā)Full GC，同時對老年代和新生代進行回收，嘗試釋放被丟棄對象占用的內(nèi)存。

然而System.gc() 調(diào)用附帶一個免責(zé)聲明，無法保證對垃圾收集器的調(diào)用。(不能確保立即生效)

JVM實現(xiàn)者可以通過System.gc() 調(diào)用來決定JVM的GC行為。而一般情況下，垃圾回收應(yīng)該是自動進行的，無須手動觸發(fā)，否則就太過于麻煩了。在一些特殊情況下，如我們正在編寫一個性能基準(zhǔn)，我們可以在運行之間調(diào)用System.gc()

public class SystemGCTest {public static void main(String[] args) {new SystemGCTest();System.gc();// 提醒JVM的垃圾回收器執(zhí)行g(shù)c，但是不確定是否馬上執(zhí)行g(shù)c// 與Runtime.getRuntime().gc();的作用一樣System.runFinalization();//強制執(zhí)行使用引用的對象的finalize()方法}@Overrideprotected void finalize() throws Throwable {super.finalize();System.out.println("SystemGCTest 重寫了finalize()");}
}

12.2. 內(nèi)存溢出與內(nèi)存泄露

內(nèi)存溢出（OOM）

內(nèi)存溢出相對于內(nèi)存泄漏來說，盡管更容易被理解，但是同樣的，內(nèi)存溢出也是引發(fā)程序崩潰的罪魁禍?zhǔn)字弧?/p>

由于GC一直在發(fā)展，所以一般情況下，除非應(yīng)用程序占用的內(nèi)存增長速度非?？?#xff0c;造成垃圾回收已經(jīng)跟不上內(nèi)存消耗的速度，否則不太容易出現(xiàn)OOM的情況。

大多數(shù)情況下，GC會進行各種年齡段的垃圾回收，實在不行了就放大招，來一次獨占式的 Full GC 操作，這時候會回收大量的內(nèi)存，供應(yīng)用程序繼續(xù)使用。

javadoc 中對OutOfMemoryError的解釋是，沒有空閑內(nèi)存，并且垃圾收集器也無法提供更多內(nèi)存。

首先說沒有空閑內(nèi)存的情況：說明Java虛擬機的堆內(nèi)存不夠。原因有二：

1. Java虛擬機的堆內(nèi)存設(shè)置不夠。
   比如：可能存在內(nèi)存泄漏問題；也很有可能就是堆的大小不合理，比如我們要處理比較可觀的數(shù)據(jù)量，但是沒有顯式指定JVM堆大小或者指定數(shù)值偏小。我們可以通過參數(shù)-Xms 、-Xmx來調(diào)整。
2. 代碼中創(chuàng)建了大量大對象，并且長時間不能被垃圾收集器收集（存在被引用）
   對于老版本的Oracle JDK，因為永久代的大小是有限的，并且JVM對永久代垃圾回收（如，常量池回收、卸載不再需要的類型）非常不積極，所以當(dāng)我們不斷添加新類型的時候，永久代出現(xiàn)OutOfMemoryError也非常多見，尤其是在運行時存在大量動態(tài)類型生成的場合；類似intern字符串緩存占用太多空間，也會導(dǎo)致OOM問題。對應(yīng)的異常信息，會標(biāo)記出來和永久代相關(guān)：“java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space"。
   隨著元數(shù)據(jù)區(qū)的引入，方法區(qū)內(nèi)存已經(jīng)不再那么窘迫，所以相應(yīng)的OOM有所改觀，出現(xiàn)OOM，異常信息則變成了：“java.lang.OutofMemoryError:Metaspace"。直接內(nèi)存不足，也會導(dǎo)致OOM。

這里面隱含著一層意思是，在拋出OutOfMemoryError之前，通常垃圾收集器會被觸發(fā)，盡其所能去清理出空間。

• 例如：在引用機制分析中，涉及到JVM會去嘗試回收軟引用指向的對象等。
• 在java.nio.BIts.reserveMemory()方法中，我們能清楚的看到，System.gc()會被調(diào)用，以清理空間。

當(dāng)然，也不是在任何情況下垃圾收集器都會被觸發(fā)的

• 比如，我們?nèi)シ峙湟粋€超大對象，類似一個超大數(shù)組超過堆的最大值，JVM可以判斷出垃圾收集并不能解決這個問題，所以直接拋出OutOfMemoryError。

內(nèi)存泄漏（Memory Leak）

也稱作“存儲滲漏”。嚴(yán)格來說，只有對象不會再被程序用到了，但是GC又不能回收他們的情況，才叫內(nèi)存泄漏。

但實際情況很多時候一些不太好的實踐（或疏忽）會導(dǎo)致對象的生命周期變得很長甚至導(dǎo)致OOM，也可以叫做寬泛意義上的“內(nèi)存泄漏”。

盡管內(nèi)存泄漏并不會立刻引起程序崩潰，但是一旦發(fā)生內(nèi)存泄漏，程序中的可用內(nèi)存就會被逐步蠶食，直至耗盡所有內(nèi)存，最終出現(xiàn)OutOfMemory異常，導(dǎo)致程序崩潰。

注意，這里的存儲空間并不是指物理內(nèi)存，而是指虛擬內(nèi)存大小，這個虛擬內(nèi)存大小取決于磁盤交換區(qū)設(shè)定的大小。

舉例

1. 單例模式
   單例的生命周期和應(yīng)用程序是一樣長的，所以單例程序中，如果持有對外部對象的引用的話，那么這個外部對象是不能被回收的，則會導(dǎo)致內(nèi)存泄漏的產(chǎn)生。
2. 一些提供close的資源未關(guān)閉導(dǎo)致內(nèi)存泄漏
   數(shù)據(jù)庫連接（dataSourse.getConnection() ），網(wǎng)絡(luò)連接（socket）和io連接必須手動close，否則是不能被回收的。

12.3. Stop The World

Stop-the-World，簡稱STW，指的是GC事件發(fā)生過程中，會產(chǎn)生應(yīng)用程序的停頓。停頓產(chǎn)生時整個應(yīng)用程序線程都會被暫停，沒有任何響應(yīng)，有點像卡死的感覺，這個停頓稱為STW。

可達性分析算法中枚舉根節(jié)點（GC Roots）會導(dǎo)致所有Java執(zhí)行線程停頓。

• 分析工作必須在一個能確保一致性的快照中進行
• 一致性指整個分析期間整個執(zhí)行系統(tǒng)看起來像被凍結(jié)在某個時間點上
• 如果出現(xiàn)分析過程中對象引用關(guān)系還在不斷變化，則分析結(jié)果的準(zhǔn)確性無法保證

被STW中斷的應(yīng)用程序線程會在完成GC之后恢復(fù)，頻繁中斷會讓用戶感覺像是網(wǎng)速不快造成電影卡帶一樣，所以我們需要減少STW的發(fā)生。

STW事件和采用哪款GC無關(guān)，所有的GC都有這個事件。

哪怕是G1也不能完全避免Stop-the-World情況發(fā)生，只能說垃圾回收器越來越優(yōu)秀，回收效率越來越高，盡可能地縮短了暫停時間。

STW是JVM在后臺自動發(fā)起和自動完成的。在用戶不可見的情況下，把用戶正常的工作線程全部停掉。

開發(fā)中不要用System.gc() 會導(dǎo)致Stop-the-World的發(fā)生。

12.4. 垃圾回收的并行與并發(fā)

并發(fā)（Concurrent）

在操作系統(tǒng)中，是指一個時間段中有幾個程序都處于已啟動運行到運行完畢之間，且這幾個程序都是在同一個處理器上運行。

并發(fā)不是真正意義上的“同時進行”，只是CPU把一個時間段劃分成幾個時間片段（時間區(qū)間），然后在這幾個時間區(qū)間之間來回切換，由于CPU處理的速度非?？?#xff0c;只要時間間隔處理得當(dāng)，即可讓用戶感覺是多個應(yīng)用程序同時在進行。

并行（Parallel）

當(dāng)系統(tǒng)有一個以上CPU時，當(dāng)一個CPU執(zhí)行一個進程時，另一個CPU可以執(zhí)行另一個進程，兩個進程互不搶占CPU資源，可以同時進行，我們稱之為并行（Parallel）。

其實決定并行的因素不是CPU的數(shù)量，而是CPU的核心數(shù)量，比如一個CPU多個核也可以并行。

適合科學(xué)計算，后臺處理等弱交互場景

并發(fā) vs 并行

• 并發(fā)，指的是多個事情，在同一時間段內(nèi)同時發(fā)生了。
• 并行，指的是多個事情，在同一時間點上同時發(fā)生了。
• 并發(fā)的多個任務(wù)之間是互相搶占資源的。
• 并行的多個任務(wù)之間是不互相搶占資源的。
• 只有在多CPU或者一個CPU多核的情況中，才會發(fā)生并行。
• 否則，看似同時發(fā)生的事情，其實都是并發(fā)執(zhí)行的。

垃圾回收的并發(fā)與并行

并發(fā)和并行，在談?wù)摾占鞯纳舷挛恼Z境中，它們可以解釋如下：

并行（Parallel）

指多條垃圾收集線程并行工作，但此時用戶線程仍處于等待狀態(tài)。如ParNew、Parallel Scavenge、Parallel Old；

串行（Serial）

相較于并行的概念，單線程執(zhí)行。如果內(nèi)存不夠，則程序暫停，啟動JM垃圾回收器進行垃圾回收?；厥胀?#xff0c;再啟動程序的線程。

并發(fā)（Concurrent）

指用戶線程與垃圾收集線程同時執(zhí)行（但不一定是并行的，可能會交替執(zhí)行），垃圾回收線程在執(zhí)行時不會停頓用戶程序的運行。用戶程序在繼續(xù)運行，而垃圾收集程序線程運行于另一個CPU上；如：CMS、G1（CMS是第一款并發(fā)收集器）

12.5. 安全點與安全區(qū)域

安全點

程序執(zhí)行時并非在所有地方都能停頓下來開始GC，只有在特定的位置才能停頓下來開始GC，這些位置稱為“安全點（Safepoint）”。

Safe Point的選擇很重要，如果太少可能導(dǎo)致GC等待的時間太長，如果太頻繁可能導(dǎo)致運行時的性能問題。大部分指令的執(zhí)行時間都非常短暫，通常會根據(jù)“是否具有讓程序長時間執(zhí)行的特征”為標(biāo)準(zhǔn)。比如：選擇一些執(zhí)行時間較長的指令作為Safe Point，如方法調(diào)用、循環(huán)跳轉(zhuǎn)和異常跳轉(zhuǎn)等。

如何在GC發(fā)生時，檢查所有線程都跑到最近的安全點停頓下來呢？

搶先式中斷：（目前沒有虛擬機采用了）

• 首先中斷所有線程。如果還有線程不在安全點，就恢復(fù)線程，讓線程跑到安全點。\

主動式中斷

設(shè)置一個中斷標(biāo)志，各個線程運行到Safe Point的時候主動輪詢這個標(biāo)志，如果中斷標(biāo)志為真，則將自己進行中斷掛起。（有輪詢的機制）

安全區(qū)域（Safe Resion）

Safepoint 機制保證了程序執(zhí)行時，在不太長的時間內(nèi)就會遇到可進入GC的Safepoint。但是，程序“不執(zhí)行”的時候呢？例如線程處于Sleep 狀態(tài)或Blocked 狀態(tài)，這時候線程無法響應(yīng)JVM的中斷請求，“走”到安全點去中斷掛起，JVM也不太可能等待線程被喚醒。對于這種情況，就需要安全區(qū)域（Safe Region）來解決。

安全區(qū)域是指在一段代碼片段中，對象的引用關(guān)系不會發(fā)生變化，在這個區(qū)域中的任何位置開始Gc都是安全的。我們也可以把Safe Region看做是被擴展了的Safepoint。

實際執(zhí)行時：

1. 當(dāng)線程運行到Safe Region的代碼時，首先標(biāo)識已經(jīng)進入了Safe Relgion，如果這段時間內(nèi)發(fā)生GC，JVM會忽略標(biāo)識為Safe Region狀態(tài)的線程
2. 當(dāng)線程即將離開Safe Region時，會檢查JVM是否已經(jīng)完成GC，如果完成了，則繼續(xù)運行，否則線程必須等待直到收到可以安全離開Safe Region的信號為止；

12.6. 再談引用：強引用

我們希望能描述這樣一類對象：當(dāng)內(nèi)存空間還足夠時，則能保留在內(nèi)存中；如果內(nèi)存空間在進行垃圾收集后還是很緊張，則可以拋棄這些對象。

【既偏門又非常高頻的面試題】強引用、軟引用、弱引用、虛引用有什么區(qū)別？具體使用場景是什么？

在JDK1.2版之后，Java對引用的概念進行了擴充，將引用分為：強引用（Strong Reference）、軟引用（Soft Reference）、弱引用（Weak Reference）、虛引用（Phantom Reference）這4種引用強度依次逐漸減弱。

除強引用外，其他3種引用均可以在java.lang.ref包中找到它們的身影。如下圖，顯示了這3種引用類型對應(yīng)的類，開發(fā)人員可以在應(yīng)用程序中直接使用它們。

Reference子類中只有終結(jié)器引用是包內(nèi)可見的，其他3種引用類型均為public，可以在應(yīng)用程序中直接使用

• 強引用（StrongReference）：最傳統(tǒng)的“引用”的定義，是指在程序代碼之中普遍存在的引用賦值，即類似“Object obj = new Object()”這種引用關(guān)系。無論任何情況下，只要強引用關(guān)系還存在，垃圾收集器就永遠不會回收掉被引用的對象。
• 軟引用（SoftReference）：在系統(tǒng)將要發(fā)生內(nèi)存溢出之前，將會把這些對象列入回收范圍之中進行第二次回收。如果這次回收后還沒有足夠的內(nèi)存，才會拋出內(nèi)存流出異常。
• 弱引用（WeakReference）：被弱引用關(guān)聯(lián)的對象只能生存到下一次垃圾收集之前。當(dāng)垃圾收集器工作時，無論內(nèi)存空間是否足夠，都會回收掉被弱引用關(guān)聯(lián)的對象。
• 虛引用（PhantomReference）：一個對象是否有虛引用的存在，完全不會對其生存時間構(gòu)成影響，也無法通過虛引用來獲得一個對象的實例。為一個對象設(shè)置虛引用關(guān)聯(lián)的唯一目的就是能在這個對象被收集器回收時收到一個系統(tǒng)通知。

強引用（Strong Reference）——不回收

在Java程序中，最常見的引用類型是強引用（普通系統(tǒng)99%以上都是強引用），也就是我們最常見的普通對象引用，也是默認(rèn)的引用類型。

當(dāng)在Java語言中使用new操作符創(chuàng)建一個新的對象，并將其賦值給一個變量的時候，這個變量就成為指向該對象的一個強引用。

強引用的對象是可觸及的，垃圾收集器就永遠不會回收掉被引用的對象。

對于一個普通的對象，如果沒有其他的引用關(guān)系，只要超過了引用的作用域或者顯式地將相應(yīng)（強）引用賦值為nu11，就是可以當(dāng)做垃圾被收集了，當(dāng)然具體回收時機還是要看垃圾收集策略。

相對的，軟引用、弱引用和虛引用的對象是軟可觸及、弱可觸及和虛可觸及的，在一定條件下，都是可以被回收的。所以，強引用是造成Java內(nèi)存泄漏的主要原因之一。

強引用例子

StringBuffer str = new StringBuffer("hello mogublog");

局部變量str指向StringBuffer實例所在堆空間，通過str可以操作該實例，那么str就是StringBuffer實例的強引用

對應(yīng)內(nèi)存結(jié)構(gòu)

此時，如果再運行一個賦值語句

StringBuffer str1 = str;

對應(yīng)的內(nèi)存結(jié)構(gòu)

本例中的兩個引用，都是強引用，強引用具備以下特點：

• 強引用可以直接訪問目標(biāo)對象。
• 強引用所指向的對象在任何時候都不會被系統(tǒng)回收，虛擬機寧愿拋出OOM異常，也不會回收強引用所指向?qū)ο蟆?/li>
• 強引用可能導(dǎo)致內(nèi)存泄漏。

12.8. 再談引用： 軟引用

軟引用（Soft Reference）——內(nèi)存不足即回收

軟引用是用來描述一些還有用，但非必需的對象。只被軟引用關(guān)聯(lián)著的對象，在系統(tǒng)將要發(fā)生內(nèi)存溢出異常前，會把這些對象列進回收范圍之中進行第二次回收，如果這次回收還沒有足夠的內(nèi)存，才會拋出內(nèi)存溢出異常。

軟引用通常用來實現(xiàn)內(nèi)存敏感的緩存。比如：高速緩存就有用到軟引用。如果還有空閑內(nèi)存，就可以暫時保留緩存，當(dāng)內(nèi)存不足時清理掉，這樣就保證了使用緩存的同時，不會耗盡內(nèi)存。

垃圾回收器在某個時刻決定回收軟可達的對象的時候，會清理軟引用，并可選地把引用存放到一個引用隊列（Reference Queue）。

類似弱引用，只不過Java虛擬機會盡量讓軟引用的存活時間長一些，迫不得已才清理。

在JDK1.2版之后提供了java.lang.ref.SoftReference類來實現(xiàn)軟引用

Object obj = new Object(); // 聲明強引用
SoftReference<Object> sf = new SoftReference<>(obj);
obj = null; //銷毀強引用

12.9. 再談引用：弱引用

弱引用（Weak Reference）——發(fā)現(xiàn)即回收

弱引用也是用來描述那些非必需對象，只被弱引用關(guān)聯(lián)的對象只能生存到下一次垃圾收集發(fā)生為止。在系統(tǒng)GC時，只要發(fā)現(xiàn)弱引用，不管系統(tǒng)堆空間使用是否充足，都會回收掉只被弱引用關(guān)聯(lián)的對象。

但是，由于垃圾回收器的線程通常優(yōu)先級很低，因此，并不一定能很快地發(fā)現(xiàn)持有弱引用的對象。在這種情況下，弱引用對象可以存在較長的時間。

弱引用和軟引用一樣，在構(gòu)造弱引用時，也可以指定一個引用隊列，當(dāng)弱引用對象被回收時，就會加入指定的引用隊列，通過這個隊列可以跟蹤對象的回收情況。

軟引用、弱引用都非常適合來保存那些可有可無的緩存數(shù)據(jù)。如果這么做，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)存不足時，這些緩存數(shù)據(jù)會被回收，不會導(dǎo)致內(nèi)存溢出。而當(dāng)內(nèi)存資源充足時，這些緩存數(shù)據(jù)又可以存在相當(dāng)長的時間，從而起到加速系統(tǒng)的作用。

在JDK1.2版之后提供了WeakReference類來實現(xiàn)弱引用

Object obj = new Object(); // 聲明強引用
WeakReference<Object> sf = new WeakReference<>(obj);
obj = null; //銷毀強引用

弱引用對象與軟引用對象的最大不同就在于，當(dāng)GC在進行回收時，需要通過算法檢查是否回收軟引用對象，而對于弱引用對象，GC總是進行回收。弱引用對象更容易、更快被GC回收。

面試題：你開發(fā)中使用過WeakHashMap嗎？

WeakHashMap用來存儲圖片信息，可以在內(nèi)存不足的時候，及時回收，避免了OOM

12.X. 再談引用：虛引用

虛引用（Phantom Reference）——對象回收跟蹤

也稱為“幽靈引用”或者“幻影引用”，是所有引用類型中最弱的一個。

一個對象是否有虛引用的存在，完全不會決定對象的生命周期。如果一個對象僅持有虛引用，那么它和沒有引用幾乎是一樣的，隨時都可能被垃圾回收器回收。

它不能單獨使用，也無法通過虛引用來獲取被引用的對象。當(dāng)試圖通過虛引用的get()方法取得對象時，總是null

為一個對象設(shè)置虛引用關(guān)聯(lián)的唯一目的在于跟蹤垃圾回收過程。比如：能在這個對象被收集器回收時收到一個系統(tǒng)通知。

虛引用必須和引用隊列一起使用。虛引用在創(chuàng)建時必須提供一個引用隊列作為參數(shù)。當(dāng)垃圾回收器準(zhǔn)備回收一個對象時，如果發(fā)現(xiàn)它還有虛引用，就會在回收對象后，將這個虛引用加入引用隊列，以通知應(yīng)用程序?qū)ο蟮幕厥涨闆r。

由于虛引用可以跟蹤對象的回收時間，因此，也可以將一些資源釋放操作放置在虛引用中執(zhí)行和記錄。

在JDK1.2版之后提供了PhantomReference類來實現(xiàn)虛引用。

Object obj = new Object(); // 聲明強引用
ReferenceQueue phantomQueue = new ReferenceQueue();
PhantomReference<Object> sf = new PhantomReference<>(obj, phantomQueue);
obj = null;

12.11. 終結(jié)器引用

它用于實現(xiàn)對象的finalize() 方法，也可以稱為終結(jié)器引用。無需手動編碼，其內(nèi)部配合引用隊列使用。

在GC時，終結(jié)器引用入隊。由Finalizer線程通過終結(jié)器引用找到被引用對象調(diào)用它的finalize()方法，第二次GC時才回收被引用的對象