JVM垃圾回收原理解析

  • Z时代
  • 2024-01-10
  • 分类：综合

概述

Java运行时区域中，程序计数器，虚拟机栈，本地方法栈三个区域随着线程的而生，随线程而死，这几个区域的内存分配和回收都具备确定性，不需要过多考虑回收问题。而Java堆和方法区则不一样，一个接口的多个实现类需要的内存不一样，一个方法的多个分支需要的内存可能也不一眼，我们只有在运行期，才能知道会创建的对象，这部分的内存分配和回收，是垃圾回收器所关注的。垃圾回收器需要完成三个问题：那些内存需要回收；什么时候回收以及如何回收。

那些垃圾需要回收

垃圾回收的基本思想是考察一个对象的可达性，即从根节点开始是否可以访问到这个对象，如果可以，则说明对象正在被使用，相反如果从根节点无法访问到这个对象，说明对象已经不再使用了，一般来说此对象就是需要被回收的。这个算法为根搜索算法。

可达性分析

但是实际中，一个不可达的对象有可能在某种条件下“复活”自己，那么对它的回收就是不合理的。为此给出一个对象可达性状态的定义，并规定了在什么状态下可以安全的回收对象。可达性对象包含了以下三种状态。

可达的：从根节点开始，按照引用节点，可以搜索到这个对象

可复活的：对象的所有引用都被释放，但是对象可能在finalize()方法中复活自己。

不可达的：对象的finalize()方法被调用，并且没有复活，那么就进入不可达状态。不可达的对象不可能会被“复活”，因为finalize()方法只能调用一次。

/**
 * 
 * <p>Description: 1.对象被GC时，可以通过finalize拯救 2.finalize只被调用一次 </p> 
 * @date 2019年8月25日 
 * @version 1.0
 */
public class FinalizeTest {
  private static FinalizeTest currentObj;
  @Override
  protected void finalize() throws Throwable {
    super.finalize();
    System.out.println("finalize invoke");
    //重新引用
    currentObj = this;
  }
  public void alive() {
    System.out.println("live");
  }
  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    currentObj = new FinalizeTest();
    currentObj = null;
    System.gc();
    //finalize优先级地，先等待
    Thread.sleep(500);
    if(currentObj == null) {
      System.out.println("dead");
    }else {
      currentObj.alive();
    }
    currentObj = null;
    System.gc();
    //finalize优先级地，先等待
    Thread.sleep(500);
    if(currentObj == null) {
      System.out.println("dead");
    }else {
      currentObj.alive();
    }
  }
}

上面代码有一处一样的断码片段，但是得到的结果却并不相同，一次对象“拯救复活”成功，另一次失败，那么就可以被正常回收。

可以作为GC Roots包括下面几种：

  • 虚拟机栈（栈帧中的本地表量表）中引用的对象

  • 方法区中类静态属性引用的对象

  • 方法区中常量引用的对象

  • 本地方法栈中JNI引用（即一般Native的方法）的对象

四种引用类型

在JDK1.2之后对引用进行了扩充，分为强引用，软引用，弱引用，虚引用4种，这四种强度一次减弱。通过对引用的扩充，可以依据内存的使用来描述这样的对象：当内存足够，则保留内存中；如果内存空间进行垃圾回收后还是很紧张，则可以抛弃这类对象。很多系统的缓存功能符合这样的应用场景。

强引用

在Java中最常见的就是强引用， 把一个对象赋给一个引用变量，这个引用变量就是一个强引用。当一个对象被强引用变量引用时，它处于可达状态，它是不可能被垃圾回收机制回收的，即使该对象以后永远都不会被用到JVM也不会回收。因此强引用是造成Java内存泄漏的主要原因之一。

软引用

​ 软引用需要用SoftReference类来实现，对于只有软引用的对象来说，当系统内存足够时它不会被回收，当系统内存空间不足时它会被回收。软引用通常用在对内存敏感的程序中。

弱引用

​ 弱引用需要用WeakReference类来实现，它比软引用的生存期更短，对于只有弱引用的对象来说，只要垃圾回收机制一运行，不管 JVM 的内存空间是否足够，总会回收该对象占用的内存。

虚引用

​ 虚引用需要PhantomReference类来实现，它不能单独使用，必须和引用队列联合使用。 虚引用的主要作用是跟踪对象被垃圾回收的状态。

什时候回收

按HotSpot VM的serial GC的实现来看触发条件主要分为以下几种：

  • young GC：当young gen中的eden区分配满的时候触发。注意young GC中有部分存活对象会晋升到old gen，所以young GC后old gen的占用量通常会有所升高。

  • full GC：当准备要触发一次young GC时，如果发现统计数据说之前young GC的平均晋升大小比目前old gen剩余的空间大，则不会触发young GC而是转为触发full GC（因为HotSpot VM的GC里，除了CMS的concurrent collection之外，其它能收集old gen的GC都会同时收集整个GC堆，包括young gen，所以不需要事先触发一次单独的young GC）；或者，如果有perm gen的话，要在perm gen分配空间但已经没有足够空间时，也要触发一次full GC；或者System.gc()、heap dump带GC，默认也是触发full GC。

HotSpot VM里其它非并发GC的触发条件复杂一些，不过大致的原理与上面说的其实一样。并发GC的触发条件就不太一样。以CMS GC为例，它主要是定时去检查old gen的使用量，当使用量超过了触发比例就会启动一次CMS GC，对old gen做并发收集。

如何回收

如何回收主要就涉及到垃圾回收的算法了。下面介绍几种垃圾回收算法的思想。

标记清除法(Mark-Sweep)

标记清除算法是现代垃圾回收算法的思想基础。它主要分为两个阶段：标记阶段和清除阶段。在标记阶段，首先通过根节点，标记所有从根节点开始的可达队对象，因此未被标记的对象就是未被引用的垃圾对象。然后在清除阶段，清除所有的未被标记的对象。

标记清除算法的不足有：效率的问题和标记清除后产生的大量不连续的内存碎片。而内存碎片太多可能会导致在分配大对象时，无法找到连续的内存而不得不提前触发另外一次垃圾回收。

复制算法(Coping)

复制算法的核心思想是：将原有的内存空间分为两块，每次只使用其中一块，在垃圾回收时，将正在使用的内存中存活对象复制到未使用的内存块中，之后清除正在使用的内存块中的所有对象，交换两个内存的角色，完成垃圾回收。

如果系统中的待回收的对象很多，复制算法需要复制的存活对象就会相对较少，真正的垃圾回收时刻，复制算法的效率就会很高。而且对象是在垃圾回收过程中的，统一复制到新的内存空间，再清除原来使用的内存，因此可以确保回收后的内存空间是没有碎片的。但是另一方面，复制算法的代价是需要使用更多的内存空间。

复制算法比较适用于新生代。因为新生代垃圾对象通常多余存活对象，复制算法的效率会比较高。

标记整理算法(Mark Compact)

在老年代，大部分的对象都是存活对象。如果依然用复制算法，由于存活的对象多，复制的成本也将提高。因此基于老年代的垃圾回收特性，需要使用其他的算法。标记整理算法是一种老年代的回收算法。它在标记算法的基础上做了一些优化。和标记清除算法一样，它也是从更节点开始，但是并不是清除未标记的对象，而是将存活的对象压缩到内存的一边，之后清除边界外所有空间。这种方法避免了碎片的产生，又不需要过多的内存空间，因此性价比比较高。

标记整理法的最终效果等同于标记清除算法执行完成后，再进行一次内存碎片的整理，因此也可以把它称为标记清除整理(MarkSweepComact)。

分代算法(Generational Collecting)

分代算法是根据对象存活周期不同将内存化为几块。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合适的收集算法。新生代中的特点是对象朝生夕死，大约90%的新建对象会被回收，因此新生代适合复制算法。当一个对象经过几次回收后依然存活，对象就会被放入老年代的内存空间。在老年代中可以认为对象在一段时间内，甚至在程序的整个生命周期，是常驻内存的，可以对老年代使用标记清除和标记整理算法。

对于新生代和老年代来说，通常新生代的回收频率很高，但是每次回收的耗时都很短，而老年代回收的频率比较低，但是会消耗更多的时间。

分区算法(Region)

一般来说，相同条件下，堆空间越大，一次GC所需要的事件越长，从而产生的停顿也越长。为了更好的靠之停顿时间，将一块大的内存区域分割成多个大小形同的小区域，依据目标的停顿时间，每次回收若干个小区间，而不是整个堆空间，从而减少一次GC所产生的停顿。分区算法是将整个堆空间划分为连续的不同小区间。每个小区间独立使用，独立回收。

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