Java中怎么实现一个垃圾收集器

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 1、对象存活判定算法 ：

1）引用记数算法：给每个对象添加一个引用计数器，每当有一个地方引用，计数器就加1，当引用失效时就减1，任何时刻计数器为0的对象就是不可能再被引用的。但是主流的Java虚拟机里面没有选用引用计数器算法来管理内存，其中最主要的原因是它很难解决对象之间相互循环引用的问题。

2）可达性分析算法：通过一系列称为“GC Roots”的对象作为起始点，从这些节点向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链，当一个对象到GCRoots没有任何引用链时，则证明此对象是不可用的。主流实现。

在Java语言中，可作为GCRoots的对象包括下面几种：a.虚拟机栈中引用的对象；b.方法区中类静态属性引用的对象；c.方法区中常量引用的对象；d.本地方法栈中JNI引用的对象。

2、生存还是死亡

真正宣告一个对象死亡，至少要经历两次标记过程：

1）可达性分析后发现不可达，进行第一次标记，并将没有必要执行finalize方法的对象放到一个F-Queue队列；

2）GC对F-Queue队列中的对象进行第二次小规模标记，如果还是不可达，基本就真的被回收了。

3、关于finalize方法

1）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”，所谓“执行”是指虚拟机会触发发这个方法，但并不承诺会等待它运行结束；

2）finalize方法只会被系统调用一次；

3）finalize方法能做的所有工作，try-finally或者其它方式都可以做的更好、更及时，所以建议完全可以忘掉Java语言中这个方法的存在。

4、垃圾收集算法：标记-清理、复制、标记-整理、分代收集

1）标记-清理算法

a.分两个阶段：标记和清理，首先标记出需要回收的对象，在标记完成后统一回收所有被标记的对象；

b.不足：一个是效率问题，标记和清理两个过程的效率不高；另一个是空间问题，标记清理后会产生大量不连续的内存碎片，空间碎片太多可能会导致以后在程序运行过程中需要分配较大对象时，无法找到足够的连续内存而不得不提前触发一次垃圾收集动作。

2）复制算法

a.将可用内存按容量划分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块。当一块的内存用完了，就将还存活的对象复制到另一块上面，然后再把已使用的内存空间一次清理掉。效率提高，也没有内存碎片的问题。代价是内存缩小为原来的一半。

b.新生代的对象98%是“朝生夕死”的，所以并不需要按照1:1的比例来划分内存空间，而是将内存分为一块较大的Eden空间和两块较小的Survivor空间，每次使用Eden和其中一块Survivor。当回收时，将Eden和Survivor中还存活的对象一次性复制到另外一块Survivor空间上，最后清理掉Eden和刚才用过的Survivor空间。HotSpot虚拟机默认Eden和Survivor的大小比例是8:1，也就是每次新生代中可用内存空间为整个新生代容量的90%，只有10%的内存会被“浪费”。如果另外一块Survivor空间没有足够的空间存放上一次新生代收集下来的存活对象时，这些对象将直接通过分配担保机制进入老年代。

3）标记-整理算法

a.分两个阶段：标记和整理，首先标记出需要回收的对象，然后让存活的对象都往一端移动，然后直接清理掉边界以外的内存。

4）分代收集算法

a.一般把Java堆分成新生代和老年代，这样就可以根据各个年代的特点采用最适当的收集算法。在新生代，每次垃圾收集时都发现有大批对象死去，只有少量存活，那就选用复制算法，只需要付出少量存活对象的复制成本就可以完成收集。而老年代中因为对象存活率高、没有额外空间对它进行分配担保，就必须使用“标记-清理”或者“标记-整理”算法来进行回收。

5、HotSpot的算法实现

1）枚举根结点：由于目前的主流Java虚拟机使用的都是准确式GC，所以当执行系统停顿下来后，并不需要一个不漏的检查完所有执行上下文和全局的引用位置，虚拟机应当有办法直接得知哪些地方存放着对象引用。在HotSpot的实现中，使用一组成为OopMap的数据结构来记录对象引用。

2）安全点：程序在执行时并非所有的地方都能停顿下来开始GC，只有在到达安全点时才能暂停。安全点的选定既不能太少以致于让GC等待时间太常，也不能太频繁以致于过分增大运行时负荷。所以安全点的选定基本上是以程序“是否具有让程序长时间执行的特征”为标准进行选定的。“长时间执行”最明显的特征就是指令序列复用，例如方法调用、循环跳转、异常跳转等，所以具有这些功能的指令才会产生安全点。另外一个需要考虑的问题时如何在GC发生时让所有线程“跑”到最近的安全点上再停顿下来。这里有两个方案：抢占式中断和主动式中断。现在几乎没有虚拟机实现采用抢占式中断来暂停线程从而相应GC事件。而主动式中断的思想时当GC需要中断线程的时候，不直接对线程操作，仅仅简单地设置一个标志，各个线程执行时主动去轮询这个标志，发现中断标志为真时就中断挂起，轮询标志的地方和安全点是重合的，另外再加上创建对象需要分配内存的地方。

3、安全区域：指在一段代码片段之中，引用关系不会发生变化。在这个区域中的任意地方开始GC都是安全的。在线程执行到安全区域中的代码时，首先标识自己已经进入安全区域，那样，当在这段时间里JVM要发起GC时，就不用管标识自己为安全区域状态的线程了。在线程要离开安全区域时，它要检查系统是否已经完成根结点枚举，如果完成了，那线程就继续执行，否则它就必须等待直到收到可以安全离开安全区域的信号为止。 

6、垃圾收集器：a.新生代收集器：Serial、Parnew、Parallel Scavenge，b.老年代收集器：Parallel Old、CMS、Serial Old，c.G1。

1）Serial收集器：单线程收集器，在它进行垃圾回收时，必须暂停其他所有的工作线程，直到它收集结束；

2）ParNew收集器：Serial收集器的多线程版本，除Serial收集器外，目前只有它能与CMS收集器配合工作；

3）Parallel Scavenge收集器：目标时达到一个可控制的吞吐量，也称“吞吐量优先”收集器；

4）Serial Old收集器：Serial收集器的老年代版本，同样是一个单线程收集器，使用“标记-整理”算法；

5）Parallel Old收集器：Parallel Scavenge收集器的老年代版本，使用多线程和“标记-整理”算法，在注重吞吐量以及CPU资源敏感的场合，都可以优先考虑Parallel Scavenge + Parallel Old收集器。

6）CMS收集器：以获取最短回收停顿时间为目标的收集器，基于“标记-清理”算法实现的。优点是：并发收集、低停顿。

7）G1收集器：它将整个Java堆划分为多个大小相等的独立区域，能够建立可预测的停顿时间模型。G1跟踪各个Region里面的垃圾堆积的价值大小，在后台维护一个优先列表，每次根据允许的收集时间，优先回收价值最大的Region。

7、GC日志：每种收集器的日至不一样，但都有共性，以下是典型的GC日志

1）33.125: [GC [DefNew: 3324K->152K(3712K), 0.0025925 secs] 3324K->152K(11904K), 0.0031680 secs]

2）100.667: [Full GC [Tenured: 0K->210K(10240K), 0.0149142 secs] 4603K->210K(19456K), [Perm: 2999K->2999K(21248K)], 0.015007 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.02 secs]

a.最开始的数字代表GC发生的时间，这个数字的含义是从Java虚拟机启动以来经过的秒数；

b.[GC 和[Full GC说明了这次垃圾收集的停顿类型，而不是来区分新生代GC和老年代GC的。Full，说明这次GC发生了一次Stop-The-World。

c.[DefNew 、[Tenured、[Perm表示GC发生的区域，不同的垃圾收集器显示的名称不同

d.后面方括号内部3324->152K(3712)表示“GC前该内存区域已使用容量->GC后该内存区域已使用容量(该内存区域总容量)”

e.方括号之外的3324->152K(11904K)表示“GC前Java堆已使用容量->GC后Java堆已使用容量(Java堆总容量)”

f.再往后，0.0025925 secs表示该内存区域GC所占用的时间，单位是秒，有的收集器会给出更具体的时间，user、sys、real分别表示用户态消耗的CPU时间、内核态消耗的CPU时间和操作从开始到结束所经过的墙钟时间（Wall Clock Time）。CPU时间与墙钟时间的区别是，墙钟时间包括各种非运算的等待耗时。

8、内存分配规则：以下是几条最普遍的内存分配规则

1）对象优先在Eden分配；

2）大对象直接进入老年代：所谓大对象是指需要大量连续内存空间Java对象，最典型的大对象就是那种很长的字符串以及数组，避免短命大对象；

3）长期存活的对象直接进入老年代：虚拟机给每个对象定义了一个对象年龄计数器，每次MinorGC后仍然存活，并且能被Survivor容纳的话，对象年龄加1，当它的年龄到达一定程度（默认15岁），就会晋升到老年代。

4）动态对象年龄判定：虚拟机不是必须要求对象的年龄必须达到MaxTenuringThreshold才能晋升老年代，如果Survivor空间中相同年龄所有对象大小总和大于Survivor空间的一半，年龄大于或等于该年龄的对象就可以直接进入老年代。

9、空间分配担保

在发生MinorGC之前，虚拟机会先检查老年代最大可用的连续空间是否大于新生代所有对象总空间，如果这个条件成立，那么MinorGC可以确保是安全的，如果不成立，则虚拟机会查看HandlePromotionFailure设置值是否允许担保失败，如果允许，那么会继续检查老年代最大可用的连续空间是否大于历次晋升到老年代对象的平均大小，如果大于，将尝试进行一次MinorGC，尽管这次MinorGC是有风险的，如果小于或者HandlePromotionFailure设置不允许冒险，那这时也要改为进行一次FullGC。

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