1.GC 是什么？GC 的作用是什么？

背景：
程序员在内存处理方面出现问题，例如忘记、错误回收内存，导致程序或系统的不稳定甚至崩溃。

GC （GabageCollection）是指垃圾回收。Java 提供 GC 功能，可以自动监控内存区域是否超过作用域，实现自动回收内存的目的。

说明：
Java 语言没有提供显式方法来分配和释放内存。

2.简述 Java 垃圾回收机制及其优点

Java 垃圾回收机制实现了自动回收内存的功能。JVM 有垃圾回收线程（守护线程），其优先级较低，在正常情况下是不会执行的。当 JVM 空闲、heap 内存、Metaspace 内存不足时，JVM 会执行垃圾回收线程。

Java 垃圾回收的步骤：
① 判断对象 A 是否存活。采用引用计数法或可达性分析，例如后者从 GC Roots 开始搜索，当没有任何的 GC Roots 与对象 A 相连时，则对象 A 是不可达对象，可以判定为可回收对象。（GC Roots 是堆外指向堆内的引用）
② 触发 GC 的时机。Minor GC 发生在 Heap 新生代，例如 Eden、FromSuv、ToSuv 满了都会触发 Minor GC。Full GC 发生在 Heap 老年代和 Metaspace，例如调用System.gc、Heap 老年代空间不足、Metaspace 空间不足等。
③ 进行 GC。GC 算法是内存回收的理论方法，GC 垃圾收集器则是具体实现。GC 算法有标记清除法、复制算法、标记压缩算法。

JVM 是采用分代垃圾回收机制，本文通过某对象的完整 GC 过程，理解 Java 垃圾回收机制，可参考《Java 虚拟机原理》5.1 GC垃圾收集及案例分析 — GC案例分析

Java 垃圾回收机制的优点

① 不需要考虑内存管理；
② 有效地防止内存泄漏；
③ 有效地利用内存；
④ Java 中的对象不再有“作用域”的概念，只有对象的引用才有“作用域”。

Java 垃圾回收机制的缺点

① 垃圾回收机制的目标是在 JVM Heap 和 Metaspace 内存中，回收无用对象的内存空间，因此无法回收数据库连接、Socket、I/O 等物理资源；
② 垃圾回收机制具有不可预知性，通过 System.gc()、对象引用设置为 null 等手段促进垃圾回收，但不能精确控制垃圾回收机制的运行；
③ 垃圾回收机制的潜在缺点是它的开销会影响性能；

3.如何判断一个对象是否存活？

（1）判断对象存活的方法

引用计数法

每个对象都有一个引用的计数值，当该对象新增一个引用时，该计数值加 1；反之，当该对象减少一个引用时，该计数值减 1。如果计数值为 0，则回收该对象。引用计数法的缺点是不能处理对象的相互循环引用

image.png

可达性分析

从 GC Roots 开始搜索，当没有任何的 GC Roots 与对象 A 相连时，则对象 A 是不可达对象，可以判定为可回收对象。（GC Roots 是堆外指向堆内的引用）

image.png

GC Roots：
由堆外指向堆内的引用，一般而言，GC Roots 包括（但不限于）下列几种，Java 方法栈桢中的局部变量、已加载类的静态变量、JNI handles、已启动且未停止的 Java 线程等。因此，GC Roots 是 GC 对象的引用。

（2）强引用、软引用、弱引用、虚引用的区别

强引用 StrongReference

例如，new 出来的对象，JVM 即使出现 OutOfMemory 错误，也不会垃圾回收该对象。

Object obj = new Object();

软引用 SoftReference

非必须引用，内存溢出之前回收。

Object obj = new Object();  //强引用
ReferenceQueue<Object> referenceQueuee = new ReferenceQueue<>(); //引用队列
// 软引用和引用队列联合使用，如果软引用所引用的对象被垃圾回收器回收，JVM就会把这个软引用加入到引用队列中
SoftReference softReference = new SoftReference(str, referenceQueuee); 

注意：一般很少使用弱引用与虚引用，使用软引用的情况较多，这是因为软引用可以加速 JVM 对垃圾内存的回收速度，同时维护系统的运行安全，防止 OutOfMemory 等问题。

弱引用 WeakReference

第二次垃圾回收时回收。

@Test
public void testWeakReference() throws InterruptedException {
    ReferenceQueue<Object> referenceQueuee = new ReferenceQueue<>();
    Object weakObject = new Object();
    //弱引用
    WeakReference weakReference = new WeakReference(weakObject, referenceQueuee);
    System.out.println("WeakReference:" + weakReference.get());
    System.out.println("referenceQueuee:" + referenceQueuee.poll());

    weakObject = null;
    System.gc();
    Thread.sleep(2000);
    System.out.println("WeakReference:" + weakReference.get());
    System.out.println("referenceQueuee:" + referenceQueuee.poll());
}

// 测试结果
WeakReference:java.lang.Object@694f9431
referenceQueuee:null
WeakReference:null
referenceQueuee:java.lang.ref.WeakReference@f2a0b8e

虚引用 PhantomReference

虚引用是形同虚设，与其他几种引用都不同，虚引用并不会决定对象的生命周期。如果一个对象仅持有虚引用，那么它就和没有任何引用一样，在任何时候都可能被垃圾回收。

虚引用主要用来跟踪对象被垃圾回收的活动。

4.简述 Java 中的内存泄漏

内存泄露是指一个不再被程序使用的对象或变量一直占据内存。

在 Java 垃圾回收机制中，如果对象不再被引用（GC Roots 的可达性分析），则垃圾收集器会从内存中清除该对象。

（1）长生命周期的对象持有短生命周期对象的引用

由于短生命周期对象已经不再需要，而长生命周期对象持有它的引用而导致不能被回收。通俗地说，程序创建了一个对象，之后一直不再该对象，但这个对象却一直被引用，导致无法被垃圾收集器回收。
① static 字段引起的内存泄露
在 Java 中，静态字段与整个程序的生命周期一致。如果静态对象是不断创建、增大，可能导致 OutOfMemory。

静态集合类：HashMap、LinkedList 等，容器内的对象在程序结束前都不能被回收。
单例模式：如果单例对象 A 持有外部对象 B 的引用，那么对象 B 将不能被 JVM 正常回收，导致内存泄露。

② 引用了外部类的内部类
一个外部类实例对象 B 的方法返回了一个内部类 B.Inner 的实例对象。如果 B.Inner 被长期引用，即使对象 B 不再被使用。因为 B.Inner 持有对象 B 的引用，所以对象 B 将不会被垃圾回收，导致内存泄露。解决方法：采用静态内部类。

为什么非静态内部类持有外部类引用，静态内部类不持有外部引用？
static 调用 static，非 static 调用非 static。即 static --> 针对 class, 非static -> 针对 对象。

（2）长生命周期的对象本身不释放

数据库连接、网络连接和 IO 连接等

（3）改变哈希值

不正确地重写 equals() 和 hashCode()，在 HashMap、HashSet 等种集合中，常常用到 equal() 和 hashCode() 来比较对象，如果重写不合理，将会成为潜在的内存泄露问题。

排除内存泄露的样例

public class Stack {
    private Object[] elements;
    private int size = 0;
    private static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;

    public Stack() {
        elements = new Object[DEFAULT_INITIAL_CAPACITY];
    }

    public void push(Object e) {
        ensureCapacity();
        elements[size++] = e;
    }

    public Object pop() {
        if (size == 0)
            throw new EmptyStackException();
        return elements[--size];
    }

    private void ensureCapacity() {
        if (elements.length == size)
            elements = Arrays.copyOf(elements, 2 * size + 1);
    }
}

解答：当进行大量的 pop 操作时，引用未置空使得 GC 是不会回收数组的对象。

image.png

解决方法：

public Object pop() {
    if (size == 0)
    throw new EmptyStackException();
    Object result = elements[--size];
    elements[size] = null;
    return result;
}

image.png

5.简述 JVM 的一次完整 GC 流程

（1）Java 对象的创建及初始化

image.png

① 类加载检查。JVM 遇到 new 指令，首先去检查该类是否在常量池中有符合引用，并且检查该类是否被加载、解析和初始化。如果没有，则执行类加载流程。
② 内存分配。在类加载检查后，可知对象所需要的内存大小。JVM 采用“指针碰撞”或者“空闲列表”，为对象进行内存分配。

image.png

③ 初始化零值。JVM 为分配到的内存空间都初始化为零值（不包括对象头），保证了对象的实例字段在 Java 代码中可以不赋初始值就直接使用，例如，Object 对象的零值为 null，int 的零值为 0 等。
④ 设置对象头。JVM 为对象设置对象头，包括该对象是哪个类的实例、对象的哈希码、对象的 GC 分代年龄等。
⑤ 执行 init 方法。init 方法即程序中对象的构造函数显示的内容。

（2）GC 过程

可参考《Java 虚拟机原理》5.1 GC垃圾收集及案例分析 — GC案例分析