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jvm - 垃圾回收

注意 : 本系列文章為學習系列,部分內容會取自相關書籍或者網絡資源,在文章中間和末尾處會有標注

垃圾回收的意義

它使得java程序員不再時時刻刻的關注內存管理方面的工作.

垃圾回收機制會自動的管理jvm內存空間,將那些已經不會被使用到了的"垃圾對象"清理掉",釋放出更多的空間給其他對象使用.

何為對象的引用?

Java中的垃圾回收一般是在Java堆中進行，因為堆中幾乎存放了Java中所有的對象實例

在java中,對引用的概念簡述如下(引用強度依次減弱) :

• 強引用?: 這類引用是Java程序中最普遍的,只要強引用還存在，垃圾收集器就永遠不會回收掉被引用的對象

• 軟引用?: 用來描述一些非必須的對象,在系統內存不夠使用時,這類對象會被垃圾收集器回收,JDK提供了SoftReference類來實現軟引用

• 弱引用?: 用來描述一些非必須的對象,只要發生GC,無論但是內存是否夠用,這類對象就會被垃圾收集器回收,JDK提供了WeakReference類來實現弱引用

• 虛引用?: 與其他幾種引用不同,它不影響對象的生命周期,如果這個對象是虛運用,則就跟沒有引用一樣,在任何時刻都可能會回收,JDK提供了PhantomReference類來實現虛引用

如下為相關示例代碼

public class ReferenceDemo {public static void main(String[] arge) {//強引用Object object = new Object();Object[] objects = new Object[100];//軟引用SoftReference<String> stringSoftReference = new SoftReference<>(new String("SoftReference"));System.out.println(stringSoftReference.get());System.gc();System.out.println(stringSoftReference.get()); //手動GC,這時內存充足,對象沒有被回收System.out.println();//弱引用WeakReference<String> stringWeakReference = new WeakReference<>(new String("WeakReference"));System.out.println(stringWeakReference.get());System.gc();System.out.println(stringWeakReference.get()); //手動gc,這時,返回null,對象已經被回收System.out.println();//虛引用//虛引用主要用來跟蹤對象被垃圾回收器回收的活動。//虛引用與軟引用和弱引用的一個區別在于：虛引用必須和引用隊列 （ReferenceQueue）聯合使用。//當垃圾回收器準備回收一個對象時，如果發現它還有虛引用，就會在回收對象的內存之前，把這個虛引用加入到與之 關聯的引用隊列中ReferenceQueue<String> stringReferenceQueue = new ReferenceQueue<>();PhantomReference<String> stringPhantomReference = new PhantomReference<>(new String("PhantomReference"), stringReferenceQueue);System.out.println(stringPhantomReference.get());} }

當然,關于這幾種引用還有很多知識點,本文只做簡單的介紹,后續有機會再單獨的文章詳細介紹.

如何確定需要回收的垃圾對象?

引用計數器

每個對象都有一個引用計數器 , 新增一個引用的時候就+1,引用釋放的時候就-1,當計數器為0的時候,就表示可以回收

引用計數算法的實現簡單，判定效率也很高，在大部分情況下它都是一個不錯的選擇，當Java語言并沒有選擇這種算法來進行垃圾回收，主要原因是它很難解決對象之間的相互循環引用問題

public class LoopReferenceDemo {public static void main(String[] args) {TestA a = new TestA(); //1TestB b = new TestB(); //2a.b = b; //3b.a = a; //4a = null; //5b = null; //6}}class TestA {public TestB b;}class TestB {public TestA a; }

雖然a和b都為null,但是a和b存在循環引用,這樣a和b就永遠不會被回收

如果你在互聯網上搜索"引用計數器"這個關鍵字,通常都會得到以上這一個結論,但是究竟為什么a和b不會被回,收其實還是沒有說清楚的,下面簡單說明一下 :

• 第一行?: TestA的引用計數器加1,TestA的引用數量為1

• 第二行?: TestB的引用計數器加1,TestB的引用數量為1

• 第三行?: TestB的引用計數器加1,TestB的引用數量為2

• 第四行?: TestA的引用計數器加1,TestA的引用數量為2

內存分布如下圖

• 第五行?: 將a變量設置為null,不再指向堆中的引用,所以TestA的引用計數器減1,TestA的引用數量為1

• 第六行?: 將b變量設置為null,不再指向堆中的引用,所以TestB的引用計數器減1,TestB的引用數量為1

內存分布如下圖

• 結論?: 雖然上面程序將a和b設置為null了,但是在堆中,TestA和TestB還是互相持有對方的引用,引用計數器依然不等于0,這個就稱為循環引用,所以說"引用計數器"會存在這個問題,導致這類對象無法被清理掉.

以上的知識點參考 :?https://www.zhihu.com/question/21539353

可達性分析

雖然以上的"引用計數器"算法存在"循環引用"的問題,不過目前主流的虛擬機都采用"可達性分析(GC Roots Tracing)"算法來標記那些對象是可以被回收的.

該算法是從GC Roots開始向下搜索,搜索走過的路徑稱之為引用鏈.當一個對象到GC Roots沒有任何引用鏈相連時,就代表這個對象是不可用的.稱為"不可達對象"

GC Roots包括:

• 虛擬機棧(棧幀中的本地變量表)中的引用對象

• 方法區中的靜態屬性實體引用的對象

• 方法區中常量引用的對象

• 本地方法棧中JNI(Native方法)引用的對象

實際上，在根搜索算法中，要真正宣告一個對象死亡，至少要經歷兩次標記過程 :

• 如果對象在進行根搜索后發現沒有與GC Roots相連接的引用鏈，那它會被第一次標記并且進行一次篩選，篩選的條件是此對象是否有必要執行finalize（）方法

• 當對象沒有覆蓋finalize（）方法，或finalize（）方法已經被虛擬機調用過，虛擬機將這兩種情況都視為沒有必要執行

• 如果該對象被判定為有必要執行finalize（）方法，那么這個對象將會被放置在一個名為F-Queue隊列中，并在稍后由一條由虛擬機自動建立的、低優先級的Finalizer線程去執行finalize（）方法

• finalize（）方法是對象逃脫死亡命運的最后一次機會（因為一個對象的finalize（）方法最多只會被系統自動調用一次）, 稍后GC將對F-Queue中的對象進行第二次小規模的標記，如果要在finalize（）方法中成功拯救自己，只要在finalize（）方法中讓該對象重引用鏈上的任何一個對象建立關聯即可

• 而如果對象這時還沒有關聯到任何鏈上的引用，那它就會被回收掉

如下圖所示

從上圖上看,reference1,2,3都是gc roots

reference1指向instance1,reference2指向instance4,并且instance4又指向了instance6,reference3則指向了instance2

所以說instance1,2,4,6都具有gc roots可達性,是存活著的對象,不會被垃圾回收器回收掉

而instance3,5則不具備gc roots可達性,是不可用對象,將會被垃圾回收器回收掉

從上圖描述"引用計數器"的圖例場景來看,TestA和TestB雖然互相有持有引用,但是并不具備gc roots可達性,所以,在"可達性分析"算法下,是會被垃圾回收器回收掉的

垃圾收集的算法

標記-清除 算法

算法分為"標記"和"清除"兩個階段,首先標記出需要回收的對象,在標記完成后,統一回收掉之前被標記的所有對象. 它是最基礎的收集算法 . 后續的收集算法都是基于這種思想,并且對其缺點進行改進而產生的

主要缺點:

• 效率問題 : 需要標記和清除兩次掃描

• 空間問題 : 標記和清除之后會產生大量的不連續的內存碎片,可能會導致,當程序需要分配一個較大內存空間的時候,無法找到足夠的連續內存,從而不得不提前出發另外一次垃圾回收動作

復制 算法

將可用內存按容量劃分為兩塊,每次只使用其中的一塊,當內存使用完了后,就將還存活著的對象復制到另外一塊上面,然后在把前面一塊內存一次性清理掉

優點 :

• 每次只操作一塊內存,分配內存的時候無需考慮內存碎片的情況,只需要移動對象的指針,按順序分配內存即可,實現簡單,運行高效

缺點 :

• 會將內存縮小為原來的一半

• 持續復制長生期的對象則導致效率降低 (沒理解) (對于存活率較高的對象,就會對其進行多次復制,從而導致效率降低)

標記-壓縮 算法

和標記-清除算法一樣,只不過標記后的動作不是清除,而是將所有對象向一端移動,然后直接清理掉邊界以外的對象(被標記的對象)

特點 :

• 復制算法比較適合于新生代，在老年代中，對象存活率比較高，如果執行較多的復制操作，效率將會變低，所以老年代一般會選用其他算法，如標記—清理算法

• 該算法標記的過程與標記—清除算法中的標記過程一樣，但對標記后出的垃圾對象的處理情況有所不同，它不是直接對可回收對象進行清理，而是讓所有的對象都向一端移動，然后直接清理掉端邊界以外的內存

分代收集 算法

把java的堆分為"新生代"和"老年代",對于不同的年代采用不同算法

在新生代中,由于對象生命周期非常短暫,所以每次垃圾回收的時候都會有大量的對象死去,只有少量存活,這樣,采用"復制算法",就只需要付出少量存活對象的復制成本,就能完成回收

在老年代中,由于對象生命周期比較長,存活率較高,沒有額外的空間對它進行分配和擔保,那就必須使用"標記-清除算法"或者"標記-壓縮算法"來進行回收

Minor GC:?從年輕代空間(包括Eden和Survivor區域)回收內存被稱為Minor GC

Major GC:?清理老年代

Full GC:?清理整個堆空間—包括年輕代和老年代

年輕代:?是所有新對象產生的地方.年輕代被分為3個部分(Enden區和兩個Survivor區,也叫From和To),當Eden區被對象填滿時,就會執行Minor GC,并把所有存活下來的對象轉移到其中一個survivor區(Form),Minor GC同樣會檢查存活下來的對象,并把它們轉移到另一個survivor區(To),這樣在一段時間內,總會有一個空的survivor區,經過多次GC周期后，仍然存活下來的對象會被轉移到年老代內存空間,常這是在年輕代有資格提升到年老代前通過設定年齡閾值來完成的,需要注意，Survivor的兩個區是對稱的,沒先后關系,from和to是相對的.

老年代:?在年輕代中經歷了N次回收后仍然沒有被清除的對象,就會被放到年老代中,都是生命周期較長的對象.對于年老代,則會執行Major GC,來清理.在某些情況下,則會觸發Full GC,來清理整個堆內存

元空間:?堆外的一部分內存,通常直接使用的是系統內存,用于存放運行時常量池,等內容,垃圾回收對應元空間來說沒有明顯的影響

垃圾收集器

垃圾收集器是內存回收算法的具體實現，Java虛擬機規范中對垃圾收集器應該如何實現并沒有任何規定，因此不同廠商、不同版本的虛擬機所提供的垃圾收集器都可能會有很大的差別

Sun HotSpot虛擬機1.6版包含了如下收集器：Serial、ParNew、Parallel Scavenge、CMS、Serial Old、Parallel Old

這些收集器以不同的組合形式配合工作來完成不同分代區的垃圾收集工作,如下是垃圾收集器簡單介紹 :

Serial收集器

串行收集器,最古老,最穩定,以及效率高的收集器,但是可能會造成程序較長時間的停頓,只使用一個線程去回收.新生代,老年代使用串行回收

新生代使用"復制算法"

老年代使用"標記壓縮算法"

垃圾回收的過程中會"程序暫停"(Stop the world)

ParNew收集器

是Serial收集器的多線程版,新生代并行,老年代串行

新生代使用"復制算法"

老年代使用"標記壓縮算法"

垃圾回收的過程中會"程序暫停"(Stop the world)

Paralle收集器

類似于ParNew收集器,但是更關注系統的吞吐量.

可以通過參數來打開"自適應調節策略",虛擬機會根據系統當前的運行情況收集性能監控信息,動態調整這些參數以便提供最合適的停頓時間和最大的吞吐量

也可以通過參數控制GC的時間不大于多少毫秒或者比例

新生代使用"復制算法"

老年代使用"標記壓縮算法"

Parallel Old收集器

是Paralle收集器的老年代版本 , 使用多線程和"標記-整理算法",這個收集器在JDK1.6中才開始使用

CMS收集器

是基于"標記-清除"算法實現的,它的運作過程相對于前面的其中收集器要復雜一些,整個過程分為4個步驟,包括 :

• 初始標記(CMS initial mark)

• 并發標記(CMS concurrent mark)

• 重新標記(CMS remark)

• 并發清除(CMS concurrent sweep)

初始標記和并發標記仍需要Stop the World.

初始標記僅僅只是標記一下GC Root能直接關聯到的對象,速度很快.

并發標記階段就是進行GC Root Tracing的過程.

重新標記這是為了修正并發標記期間,因用戶程序繼續運作而導致標記變動的那一部分的標記記錄,這一階段的停頓時間會比初始標記階段的時間稍長一些,但遠比并發標記時間短

整個過程中耗時最長的并發標記和并發清除過程中,收集器線程可以與用戶線程一起工作,所以總體來說,CMS收集器的內存回收是與用戶線程一起并發執行的

優點 : 并發收集,低停頓

缺點 : 產生大量的空間碎片,并發階段會降低吞吐量

G1收集器

與CMS收集器項目,G1收集器有以下特點 :

• 空間整合 :

  • G1收集器采用標記-整理算法,不會產生空間碎片.分配大對象時不會應為找不到連續的空間而提前觸發下一次GC

• 可預測停頓 :

  • 降低停頓時間是G1和CMS的共同關注點

  • G1除了追求低停頓外,還能建立可預測的停頓時間模型.

  • 能讓使用者明確指定在一個長度為N毫秒的時間片段內,消耗在垃圾收集上的時間不得超過N毫秒,幾乎已經是實時java(RTSJ)垃圾回收的特征了

上面提到的垃圾收集器,收集的范圍都是整個新生代或者老年代,而G1不在是這樣.

使用G1收集器的時候,JAVA堆的內存布局與其他的收集器有很大的差別,它將這個java堆劃分為多個大小相等的獨立區域(Region),雖然還保留新生代和老年代的概念,但新生代和老年代不再是物理隔閡了,他們都是一部分(可以不連續)Region的集合

G1的新生代收集器跟ParNew類似,當新生代占用達到一定的比例的時候,開始觸發收集

和CMS類似,G1收集器收集老年代對象的時候會有短暫停頓

收集步驟如下 :

• 標記階段 :

  • 首先初始標記(initial mark),這個階段是停頓的(Stop the world event),并且會觸發一次普通的Mintor GC(從年輕代空間回收)

• Root Region Scanning :

  • 運行程序過程中會回收survivor區(存活到老年代),這一過程必須在young GC之前完成

• Concurrent Marking :

  • 在整個java堆中進行并發標記(和應用程序并發執行),此過程可能會被young GC中斷

  • 若發現區域對象中的所有對象都是垃圾,那個區域就會被立即回收

  • 同時,并發標記過程中,會去計算每個區域的對象活性(區域中存活對象的比例)

• Remark :

  • 再標記,會有短暫停頓(STW)

  • 是用來收集并發標記階段,產生新的垃圾(并發階段和應用程序一同執行)

  • G1中采用了比CMS更快的初始快照算法 : snapshot-at-the-beginning (SATB)

• Copy / Clean up :

  • 多線程清除失活對象,會有STW

  • G1將回收區域的存活對象拷貝到新的區域,清除Remember Sets,并發清空回收區域,并把它返回到空閑的區域鏈表中

• 復制/清除過程后 :

  • 回收區域的活性對象已經被收集器回收到"最近復制的年輕代"(recently copied in young generation)和"最近復制的老年代"(recently copied in old generation)區域中了

參考文獻

<<深入理解JVM虛擬機>>

結束

本文提到的點很多,有對象引用,如何定義垃圾對象,gc算法,現有的垃圾收集器,等.

由于篇幅和時間原因,每個點都提及的不深入(當然,本篇文章的每個點深入的聊起來,都夠寫本書的了,呵呵).

后續會找機會逐個的將這些點跟大家深入的討論.

總之 "學無止境" , 與大家共勉 .

轉載于:https://my.oschina.net/JiangTun/blog/1559606

總結

以上是生活随笔為你收集整理的jvm - 垃圾回收 gc的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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