Java内存管理与垃圾回收机制

Java内存区域概述

在深入探讨Java的内存管理与垃圾回收机制之前，我们先来了解一下Java运行时的内存区域划分。Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域，这些区域有着各自不同的用途，以及创建和销毁的时间。

程序计数器

程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在Java虚拟机的概念模型里，字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。

由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的，在任何一个确定的时刻，一个处理器（对于多核处理器来说是一个内核）只会执行一条线程中的指令。因此，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各线程之间的计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。

如果线程正在执行的是一个Java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是本地（Native）方法，这个计数器值则为空（Undefined）。此内存区域是唯一一个在Java虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

Java虚拟机栈

与程序计数器一样，Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法被执行的时候，Java虚拟机都会同步创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完毕的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、对象引用（reference类型，它并不等同于对象本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是指向一个代表对象的句柄或者其他与此对象相关的位置）和returnAddress类型（指向了一条字节码指令的地址）。其中64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量空间（Slot），其余的数据类型只占用1个。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

在Java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常状况：如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常；如果虚拟机栈可以动态扩展（当前大部分的Java虚拟机都可动态扩展，只不过Java虚拟机规范中也允许固定长度的虚拟机栈），当扩展时无法申请到足够的内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

本地方法栈

本地方法栈（Native Method Stack）与Java虚拟机栈所发挥的作用非常相似，其区别只是Java虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的本地（Native）方法服务。

本地方法栈也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常，其实现方式和Java虚拟机栈是类似的，有的虚拟机（譬如Sun HotSpot虚拟机）直接就把本地方法栈和Java虚拟机栈合二为一。

Java堆

对于大多数应用来说，Java堆（Java Heap）是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例以及数组都在这里分配内存。

Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称做“GC堆”（Garbage Collected Heap）。从垃圾回收的角度，由于现在收集器基本都采用分代收集算法，所以Java堆还可以细分为：新生代和老年代；再细致一点的有Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。进一步划分的目的是更好地回收内存，或者更快地分配内存。

根据Java虚拟机规范的规定，Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可，就像我们的磁盘空间一样。在实现时，既可以实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的Java虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过-Xmx和 -Xms控制）。如果在堆中没有内存完成实例分配，并且堆也无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

方法区

方法区（Method Area）与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储已被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做Non-Heap（非堆），目的应该是与Java堆区分开来。

当方法区无法满足内存分配需求时，将抛出OutOfMemoryError异常。运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池表（Constant Pool Table），用于存放编译期生成的各种字面量与符号引用，这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。运行时常量池相对于Class文件常量池的另外一个重要特征是具备动态性，Java语言并不要求常量一定只有编译期才能产生，也就是并非预置入Class文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也可能将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用得比较多的便是String类的intern()方法。

Java内存分配与对象创建

对象的创建过程

类加载检查：当Java虚拟机遇到一条new指令时，首先将去检查这个指令的参数是否能在常量池中定位到一个类的符号引用，并且检查这个符号引用代表的类是否已被加载、解析和初始化过。如果没有，那必须先执行相应的类加载过程。
分配内存：在类加载检查通过后，接下来Java虚拟机将为新生对象分配内存。对象所需的内存大小在类加载完成后便可完全确定，为对象分配空间的任务等同于把一块确定大小的内存从Java堆中划分出来。假设Java堆中内存是绝对规整的，所有用过的内存都放在一边，空闲的内存放在另一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，那所分配内存就仅仅是把那个指针向空闲空间那边挪动一段与对象大小相等的距离，这种分配方式称为“指针碰撞”（Bump the Pointer）。如果Java堆中的内存并不是规整的，已使用的内存和空闲的内存相互交错，那就没有办法简单地进行指针碰撞了，虚拟机就必须维护一个列表，记录上哪些内存块是可用的，在分配的时候从列表中找到一块足够大的空间划分给对象实例，并更新列表上的记录，这种分配方式称为“空闲列表”（Free List）。选择哪种分配方式由Java堆是否规整决定，而Java堆是否规整又由所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定。
初始化零值：内存分配完成后，虚拟机需要将分配到的内存空间都初始化为零值（不包括对象头），这一步操作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，程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。
设置对象头：接下来，Java虚拟机要对对象进行必要的设置，例如这个对象是哪个类的实例、如何才能找到类的元数据信息、对象的哈希码、对象的GC分代年龄等信息。这些信息存放在对象头（Object Header）之中。根据虚拟机当前运行状态的不同，如是否启用偏向锁等，对象头会有不同的设置方式。
执行init方法：在上面工作都完成之后，从虚拟机的视角来看，一个新的对象已经产生了，但从Java程序的视角来看，对象创建才刚刚开始，方法还没有执行，所有的字段都还为零。所以一般来说，执行new指令之后会接着执行方法，把对象按照程序员的意愿进行初始化，这样一个真正可用的对象才算完全创建出来。

对象的内存布局

在HotSpot虚拟机里，对象在内存中的布局可以分为3块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。

对象头部分包含两类信息。第一类是用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等，这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机（未开启压缩指针）中分别为32个比特和64个比特，官方称它为“Mark Word”。另一类是类型指针，即对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。并不是所有的虚拟机实现都必须在对象数据上保留类型指针，换句话说，查找对象的元数据信息不一定要经过对象本身，这点取决于虚拟机的具体实现。另外，如果对象是一个Java数组，那在对象头中还必须有一块用于记录数组长度的数据，因为虚拟机可以通过普通Java对象的元数据信息确定Java对象的大小，但是从数组的元数据中却无法确定数组的大小。

实例数据部分是对象真正存储的有效信息，也是在程序代码中所定义的各种类型的字段内容。无论是从父类继承下来的，还是在子类中定义的，都需要记录起来。这部分的存储顺序会受到虚拟机分配策略参数（FieldsAllocationStyle）和字段在Java源码中定义顺序的影响。HotSpot虚拟机默认的分配策略为：相同宽度的字段总是被分配到一起存放，在满足这个前提条件的情况下，在父类中定义的变量会出现在子类之前。如果CompactFields参数值为true（默认为true），子类之中较窄的变量也可能会被父类中较宽的变量挤到一块儿。

对齐填充并不是必然存在的，也没有特别的含义，它仅仅起着占位符的作用。由于HotSpot虚拟机的自动内存管理系统要求对象起始地址必须是8字节的整数倍，换句话说，就是对象的大小必须是8字节的整数倍。而对象头部分正好是8字节的倍数（32位虚拟机中为8字节，64位虚拟机中为16字节），因此，当对象实例数据部分没有对齐时，就需要通过对齐填充来补全。

对象的访问定位

建立对象就是为了使用对象，我们的Java程序通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象。对象的访问方式由虚拟机实现而定，目前主流的访问方式有使用句柄和直接指针两种：

句柄访问：如果使用句柄访问，Java堆中将会划分出一块内存来作为句柄池，reference中存储的就是对象的句柄地址，而句柄中包含了对象实例数据与类型数据各自的具体地址信息。
直接指针访问：如果使用直接指针访问，那么Java堆对象的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，reference中直接存储的就是对象地址。

这两种对象访问方式各有优势。使用句柄来访问的最大好处就是reference中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动（垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为）时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要被修改。使用直接指针访问方式最大的好处就是速度更快，它节省了一次指针定位的时间开销，由于对象的访问在Java中非常频繁，因此这类开销积少成多后也是一项非常可观的执行成本。就HotSpot虚拟机而言，它主要使用的是直接指针访问方式。

Java垃圾回收机制

垃圾回收的概念

在Java中，垃圾回收（Garbage Collection，GC）是Java虚拟机提供的自动内存管理机制，它会自动识别出不再被使用的对象，并回收这些对象所占用的内存空间，从而使开发人员不需要手动去释放不再使用的内存。垃圾回收机制主要关注的是Java堆和方法区这两个区域，因为程序计数器、Java虚拟机栈和本地方法栈这几个区域随着线程的结束而自然销毁，不需要专门的垃圾回收机制。

如何判断对象已死

引用计数算法：引用计数算法（Reference Counting）是一种比较简单的垃圾回收算法。这种算法为每个对象创建一个引用计数器，每当有一个地方引用该对象时，计数器值就加1；当引用失效时，计数器值就减1。任何时刻计数器为0的对象就是不可能再被使用的，可以被判定为垃圾对象。虽然引用计数算法原理简单，判定效率也很高，在很多场景下都能很好地工作，但是Java虚拟机并没有选择这种算法来管理内存，主要原因是它很难解决对象之间相互循环引用的问题。例如，对象A和对象B相互引用，除此之外这两个对象没有被其他对象引用，按照引用计数算法，这两个对象的引用计数器都不为0，就会导致它们无法被回收，然而实际上这两个对象已经不可能再被访问到了。
可达性分析算法：目前主流的商用程序语言（Java、C#，甚至包括前面提到的古老的Lisp）的内存管理子系统，都是通过可达性分析（Reachability Analysis）算法来判定对象是否存活的。这个算法的基本思路就是通过一系列的称为“GC Roots”的根对象作为起始节点集，从这些节点开始，根据引用关系向下搜索，搜索所走过的路径称为“引用链”（Reference Chain），如果某个对象到GC Roots间没有任何引用链相连，或者用图论的话来说就是从GC Roots到这个对象不可达时，则证明此对象是不可能再被使用的。

在Java技术体系里面，固定可作为GC Roots的对象包括以下几种：

虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象，譬如各个线程被调用的方法堆栈中使用到的参数、局部变量、临时变量等。
方法区中类静态属性引用的对象，譬如Java类的引用类型静态变量。
方法区中常量引用的对象，譬如字符串常量池（String Table）里的引用。
本地方法栈中JNI（即通常所说的Native方法）引用的对象。
所有被同步锁（synchronized关键字）持有的对象。
Java虚拟机内部的引用，如基本数据类型对应的Class对象，一些常驻的异常对象（比如NullPointerException、OutOfMemoryError）等，还有系统类加载器。
反映Java虚拟机内部情况的JMXBean、JVMTI中注册的回调、本地代码缓存等。

引用类型

在JDK 1.2版本之后，Java对引用的概念进行了扩充，将引用分为强引用（Strong Reference）、软引用（Soft Reference）、弱引用（Weak Reference）和虚引用（Phantom Reference）4种，这4种引用强度依次逐渐减弱。

强引用：强引用是使用最普遍的引用。如果一个对象具有强引用，那垃圾回收器绝不会回收它。当内存空间不足，Java虚拟机宁愿抛出OutOfMemoryError错误，使程序异常终止，也不会靠随意回收具有强引用的对象来解决内存不足的问题。
软引用：软引用是用来描述一些还有用但并非必需的对象。对于软引用关联着的对象，在系统将要发生内存溢出异常之前，将会把这些对象列入回收范围之中进行第二次回收。如果这次回收还没有足够的内存，才会抛出内存溢出异常。在JDK 1.2之后，提供了SoftReference类来实现软引用。
弱引用：弱引用也是用来描述非必需对象的，但是它的强度比软引用更弱一些，被弱引用关联的对象只能生存到下一次垃圾回收发生之前。当垃圾回收器工作时，无论当前内存是否足够，都会回收掉只被弱引用关联的对象。在JDK 1.2之后，提供了WeakReference类来实现弱引用。
虚引用：虚引用也称为幽灵引用或者幻影引用，它是最弱的一种引用关系。一个对象是否有虚引用的存在，完全不会对其生存时间构成影响，也无法通过虚引用来取得一个对象实例。为一个对象设置虚引用关联的唯一目的只是为了能在这个对象被收集器回收时收到一个系统通知。在JDK 1.2之后，提供了PhantomReference类来实现虚引用。

垃圾回收算法

标记 - 清除算法：标记 - 清除算法（Mark - Sweep）是最基础的垃圾回收算法，分为“标记”和“清除”两个阶段：首先标记出所有需要回收的对象，在标记完成后统一回收掉所有被标记的对象。标记过程其实就是前面提到的可达性分析算法中的标记过程。

这种算法的主要缺点有两个：第一个是效率问题，标记和清除两个过程的效率都不高；第二个是空间问题，标记清除之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另一次垃圾回收动作。 2. 复制算法：为了解决效率问题，一种称为复制（Copying）的收集算法出现了。它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。当这一块的内存用完了，就将还存活着的对象复制到另外一块上面，然后再把已使用过的内存空间一次清理掉。这样使得每次都是对整个半区进行内存回收，内存分配时也就不用考虑内存碎片等复杂情况，只要移动堆顶指针，按顺序分配内存即可，实现简单，运行高效。

但是，这种算法的代价是将内存缩小为了原来的一半，空间浪费比较大。在对象存活率较高时，复制算法就要进行较多的复制操作，效率将会变低。根据对新生代对象的分析，98%的对象都是“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中还存活着的对象一次性地复制到另外一块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%（80% + 10%），只有10%的内存会被“浪费”。当然，98%的对象可回收只是一般场景下的数据，我们没有办法保证每次回收都只有不多于10%的对象存活，当Survivor空间不够用时，需要依赖其他内存区域（实际上大多就是老年代）进行分配担保（Handle Promotion）。 3. 标记 - 整理算法：复制收集算法在对象存活率较高时就要进行较多的复制操作，效率将会变低。更关键的是，如果不想浪费50%的空间，就需要有额外的空间进行分配担保，以应对被使用的内存中所有对象都100%存活的极端情况，所以在老年代一般不能直接选用这种算法。

根据老年代的特点，有人提出了标记 - 整理（Mark - Compact）算法，标记过程仍然与标记 - 清除算法一样，但后续步骤不是直接对可回收对象进行清理，而是让所有存活的对象都向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存。 4. 分代收集算法：当前商业虚拟机的垃圾收集都采用“分代收集”（Generational Collection）算法，这种算法并没有什么新的思想，只是根据对象存活周期的不同将内存划分为几块。一般是把Java堆分为新生代和老年代，这样就可以根据各个年代的特点采用最适当的收集算法。

在新生代中，每次垃圾收集时都发现有大批对象死去，只有少量对象存活，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 - 清除算法或者标记 - 整理算法来进行回收。

垃圾回收器

Serial收集器：Serial收集器是最基本、发展历史最悠久的收集器，曾经（在JDK 1.3.1之前）是HotSpot虚拟机新生代收集的唯一选择。它是一个单线程的收集器，但它的“单线程”的意义并不仅仅说明它只会使用一个CPU或一条收集线程去完成垃圾收集工作，更重要的是在它进行垃圾收集时，必须暂停其他所有的工作线程，直到它收集结束。

Serial收集器对于运行在Client模式下的虚拟机来说是一个很好的选择，因为在单个CPU的环境下，Serial收集器没有线程交互的开销，可以专心做垃圾收集工作，从而获得最高的单线程收集效率。而且在用户桌面应用场景中，分配给虚拟机管理的内存一般来说不会很大，收集几十兆甚至一两百兆的新生代（仅仅是新生代使用的内存，桌面应用基本不会再大了），停顿时间完全可以控制在几十毫秒最多一百多毫秒以内，只要不是频繁发生，这点停顿时间对许多桌面应用来说是可以接受的。 2. ParNew收集器：ParNew收集器其实就是Serial收集器的多线程版本，除了使用多条线程进行垃圾收集之外，其余行为包括Serial收集器可用的所有控制参数、收集算法、Stop - The - World、对象分配规则、回收策略等都与Serial收集器完全一样，在实现上这两种收集器也共用了相当多的代码。

ParNew收集器是许多运行在Server模式下的虚拟机中首选的新生代收集器，其中有一个与性能无关但很重要的原因是，除了Serial收集器外，目前只有它能与CMS收集器（Concurrent Mark Sweep）配合工作。 3. Parallel Scavenge收集器：Parallel Scavenge收集器也是一个新生代收集器，它同样是基于复制算法的收集器，又是并行的多线程收集器。Parallel Scavenge收集器的特点是它的关注点与其他收集器不同，CMS等收集器的关注点是尽可能地缩短垃圾收集时用户线程的停顿时间，而Parallel Scavenge收集器的目标则是达到一个可控制的吞吐量（Throughput）。所谓吞吐量就是CPU用于运行用户代码的时间与CPU总消耗时间的比值，即吞吐量 = 运行用户代码时间 /（运行用户代码时间 + 垃圾收集时间）。

Parallel Scavenge收集器提供了两个参数用于精确控制吞吐量，分别是控制最大垃圾收集停顿时间的 -XX:MaxGCPauseMillis参数以及直接设置吞吐量大小的 -XX:GCTimeRatio参数。 4. Serial Old收集器：Serial Old是Serial收集器的老年代版本，它同样是一个单线程收集器，使用标记 - 整理算法。这个收集器的主要意义也是供Client模式下的虚拟机使用。如果在Server模式下，它主要有两大用途：一种用途是在JDK 1.5以及之前的版本中与Parallel Scavenge收集器搭配使用，另外一种用途就是作为CMS收集器发生失败时的后备预案，在并发收集发生Concurrent Mode Failure时使用。 5. Parallel Old收集器：Parallel Old是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加Parallel Old收集器这个组合。 6. CMS收集器：CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器。目前很大一部分的Java应用集中在互联网站或者B/S系统的服务端上，这类应用尤其重视服务的响应速度，希望系统停顿时间尽可能短，以给用户带来较好的体验。CMS收集器就非常符合这类应用的需求。

CMS收集器的运作过程相对复杂一些，整个过程分为4个步骤，包括：

初始标记：CMS收集器开始工作时，首先会进行初始标记（CMS initial mark），这个阶段仅仅只是标记一下GC Roots能直接关联到的对象，速度很快，但是仍然需要暂停所有的工作线程。
并发标记：并发标记（CMS concurrent mark）阶段就是进行GC Roots Tracing的过程，它在整个回收过程中耗时最长，但是不需要暂停工作线程，可以与用户线程一起并发运行。
重新标记：重新标记（CMS remark）阶段则是为了修正并发标记期间因用户程序继续运作而导致标记产生变动的那一部分对象的标记记录，这个阶段的停顿时间一般会比初始标记阶段稍长一些，但远比并发标记的时间短。此阶段也需要暂停工作线程。
并发清除：最后是并发清除（CMS concurrent sweep）阶段，这个阶段清除掉标记为可回收的对象，由于不需要移动存活对象，所以这个阶段也是可以与用户线程同时并发的。

虽然CMS收集器采用的是标记 - 清除算法，不会移动对象，但是在并发清除阶段，用户线程还在运行，新的对象可能会不断产生，这些新产生的对象在当前的垃圾回收周期中是无法被回收的，只能留待下一次垃圾回收时处理，这部分对象被称为“浮动垃圾”（Floating Garbage）。另外，由于在垃圾收集阶段用户线程还需要运行，也就需要预留足够的内存空间给用户线程使用，因此CMS收集器不能像其他收集器那样等到老年代几乎完全被填满了再进行收集，需要预留一部分空间提供并发收集时的程序运作使用。要是CMS运行期间预留的内存无法满足程序分配新对象的需要，就会出现一次“Concurrent Mode Failure”失败，这时虚拟机将启动后备预案：临时启用Serial Old收集器来重新进行老年代的垃圾收集，这样停顿时间就很长了。 7. G1收集器：G1（Garbage - First）收集器是当今收集器技术发展的最前沿成果之一，它是一款面向服务端应用的垃圾收集器，在多CPU和大内存的场景下有很好的性能。

G1收集器与其他收集器相比，最大的区别在于它取消了分代的概念，而是将整个Java堆划分为多个大小相等的独立区域（Region），虽然还保留有新生代和老年代的概念，但新生代和老年代不再是物理隔离的了，它们都是一部分Region（不需要连续）的集合。

G1收集器之所以能建立可预测的停顿时间模型，是因为它可以有计划地避免在整个Java堆中进行全区域的垃圾收集。G1跟踪各个Region里面的垃圾堆积的价值大小（回收所获得的空间大小以及回收所需时间的经验值），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（这也就是Garbage - First名称的来由）。这种使用Region划分内存空间以及有优先级的区域回收方式，保证了G1收集器在有限的时间内可以获取尽可能高的收集效率。

G1收集器的运作大致可划分为以下几个步骤：

初始标记：与CMS的初始标记过程类似，仅仅只是标记一下GC Roots能直接关联到的对象，并且修改TAMS（Top at Mark Start）的值，让下一阶段用户程序并发运行时，能在正确可用的Region中创建新对象，这阶段需要停顿线程，但耗时很短。
并发标记：从GC Roots开始对堆中对象进行可达性分析，找出存活的对象，这阶段耗时较长，但可与用户程序并发执行。
最终标记：为了修正在并发标记期间因用户程序继续运作而导致标记产生变动的那一部分标记记录，虚拟机将这段时间对象变化记录在线程的Remembered Set Logs里面，最终标记阶段需要把Remembered Set Logs的数据合并到Remembered Set中，这阶段需要停顿线程，但可并行执行，耗时也不长。
筛选回收：首先对各个Region中的回收价值和成本进行排序，根据用户所期望的停顿时间来制定回收计划，可以自由选择任意多个Region构成回收集，然后把决定回收的那一部分Region的存活对象复制到空的Region中，再清理掉整个旧Region的全部空间。这里的操作涉及存活对象的移动，是必须暂停用户线程，由多条收集器线程并行完成的。

代码示例

强引用示例

public class StrongReferenceExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个强引用对象
        Object strongRef = new Object();
        // 将强引用设置为null，使其可以被垃圾回收
        strongRef = null;
        // 手动触发垃圾回收
        System.gc();
        try {
            // 等待垃圾回收完成
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("垃圾回收后，对象已被回收");
    }
}

在上述代码中，首先创建了一个强引用strongRef指向一个Object对象。然后将strongRef设置为null，此时该Object对象不再有强引用指向它，符合垃圾回收条件。通过System.gc()手动触发垃圾回收，虽然System.gc()只是建议虚拟机进行垃圾回收，但在这个简单示例中一般会执行回收操作。

软引用示例

import java.lang.ref.SoftReference;

public class SoftReferenceExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个软引用对象
        SoftReference<String> softRef = new SoftReference<>(new String("软引用示例字符串"));
        // 获取软引用指向的对象
        String value = softRef.get();
        if (value != null) {
            System.out.println("软引用对象存在: " + value);
        } else {
            System.out.println("软引用对象已被回收");
        }
        // 模拟内存不足，让垃圾回收器回收软引用对象
        byte[] largeArray = new byte[1024 * 1024 * 10];
        value = softRef.get();
        if (value != null) {
            System.out.println("软引用对象仍然存在: " + value);
        } else {
            System.out.println("软引用对象已被回收，因为内存不足");
        }
    }
}

此代码展示了软引用的使用。首先创建一个软引用softRef指向一个字符串对象。通过softRef.get()获取软引用指向的对象并输出。然后创建一个大数组largeArray来模拟内存不足的情况，再次获取软引用指向的对象，如果对象已被回收，说明在内存不足时软引用对象被垃圾回收器回收了。

弱引用示例

import java.lang.ref.WeakReference;

public class WeakReferenceExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个弱引用对象
        WeakReference<String> weakRef = new WeakReference<>(new String("弱引用示例字符串"));
        // 获取弱引用指向的对象
        String value = weakRef.get();
        if (value != null) {
            System.out.println("弱引用对象存在: " + value);
        } else {
            System.out.println("弱引用对象已被回收");
        }
        // 手动触发垃圾回收
        System.gc();
        try {
            // 等待垃圾回收完成
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        value = weakRef.get();
        if (value != null) {
            System.out.println("弱引用对象仍然存在: " + value);
        } else {
            System.out.println("弱引用对象已被回收，因为弱引用在垃圾回收时会被立即回收");
        }
    }
}

在这个示例中，创建了一个弱引用weakRef指向字符串对象。获取并输出弱引用指向的对象。接着手动触发垃圾回收并等待一段时间，再次获取弱引用指向的对象，由于弱引用对象在垃圾回收时会被立即回收，所以一般情况下第二次获取时对象已被回收。

虚引用示例

import java.lang.ref.PhantomReference;
import java.lang.ref.ReferenceQueue;

public class PhantomReferenceExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建引用队列
        ReferenceQueue<String> referenceQueue = new ReferenceQueue<>();
        // 创建虚引用对象
        PhantomReference<String> phantomRef = new PhantomReference<>(new String("虚引用示例字符串"), referenceQueue);
        // 虚引用无法直接获取对象
        String value = phantomRef.get();
        if (value != null) {
            System.out.println("虚引用对象存在: " + value);
        } else {
            System.out.println("虚引用无法直接获取对象");
        }
        // 手动触发垃圾回收
        System.gc();
        try {
            // 等待垃圾回收完成
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        // 检查虚引用是否已加入引用队列，意味着对象已被回收
        boolean isEnqueued = phantomRef.isEnqueued();
        if (isEnqueued) {
            System.out.println("虚引用对象已被回收，虚引用已加入引用队列");
        } else {
            System.out.println("虚引用对象未被回收或尚未加入引用队列");
        }
    }
}

这个示例展示了虚引用的使用。创建一个虚引用phantomRef并关联到一个字符串对象和引用队列referenceQueue。虚引用不能直接获取对象，所以phantomRef.get()会返回null。手动触发垃圾回收后，通过phantomRef.isEnqueued()检查虚引用是否已加入引用队列，如果已加入，则说明关联的对象已被回收。

通过以上的代码示例，可以更加直观地理解Java中不同引用类型在内存管理和垃圾回收机制中的表现和作用。同时，通过对Java内存区域、对象创建与访问、垃圾回收算法和垃圾回收器等方面的深入介绍，希望能帮助读者全面理解Java的内存管理与垃圾回收机制。