java垃圾回收机制算法分析
原文參考：螞蟻課堂余勝軍老師。
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垃圾回收機制概述
Java語言中一個顯著的特點就是引入了垃圾回收機制，使c++程序員最頭疼的內存管理的問題迎刃而解，它使得Java程序員在編寫程序的時候不再需要考慮內存管理。由于有個垃圾回收機制，Java中的對象不再有“作用域”的概念，只有對象的引用才有“作用域”。垃圾回收可以有效的防止內存泄露，有效的使用空閑的內存。
ps:內存泄露是指該內存空間使用完畢之后未回收，在不涉及復雜數據結構的一般情況下，Java 的內存泄露表現為一個內存對象的生命周期超出了程序需要它的時間長度，我們有時也將其稱為“對象游離”。
垃圾回收簡要過程
??這里必須點出一個很重要的誤區：不可達的對象并不會馬上就會被直接回收，而是至少要經過兩次標記的過程。?
????????第一次被標記過的對象，會檢查該對象是否重寫了finalize()方法。如果重寫了該方法，則將其放入一個F-Queue隊列中，否則，直接將對象加入“即將回收”集合。在第二次標記之前，F-Queue隊列中的所有對象會逐個執行finalize()方法，但是不保證該隊列中所有對象的finalize()方法都能被執行，這是因為JVM創建一個低優先級的線程去運行此隊列中的方法，很可能在沒有遍歷完之前，就已經被剝奪了運行的權利。那么運行finalize()方法的意義何在呢？這是對象避免自己被清理的最后手段：如果在執行finalize()方法的過程中，使得此對象重新與GC Roots引用鏈相連，則會在第二次標記過程中將此對象從F-Queue隊列中清除，避免在這次回收中被清除，恢復成了一個“正常”的對象。但顯然這種好事不能無限的發生，對于曾經執行過一次finalize()的對象來說，之后如果再被標記，則不會再執行finalize()方法，只能等待被清除的命運。?
????????之后，GC將對F-Queue中的對象進行第二次小規模的標記，將隊列中重新與GC Roots引用鏈恢復連接的對象清除出“即將回收”集合。所有此集合中的內容將被回收。
手動GC回收
| public class JVMDemo05 { ??? public static void main(String[] args) { ??????? JVMDemo05 jvmDemo05 = new JVMDemo05(); ??????? //jvmDemo05 = null; ??????? System.gc(); ??? } ??? protected void finalize() throws Throwable { ?????? System.out.println("gc在回收對象..."); ??? } } |
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finalize作用
Java技術使用finalize()方法在垃圾收集器將對象從內存中清除出去前，做必要的清理工作。這個方法是由垃圾收集器在確定這個對象沒有被引用時對這個對象調用的。它是在Object類中定義的，因此所有的類都繼承了它。子類覆蓋finalize()方法以整理系統資源或者執行其他清理工作。finalize()方法是在垃圾收集器刪除對象之前對這個對象調用的。
內存泄露
內存泄漏的定義：對象已經沒有被應用程序使用，但是垃圾回收器沒辦法移除它們，因為還在被引用著。
要想理解這個定義，我們需要先了解一下對象在內存中的狀態。下面的這張圖就解釋了什么是無用對象以及什么是未被引用對象。
上面圖中可以看出，里面有被引用對象和未被引用對象。未被引用對象會被垃圾回收器回收，而被引用的對象卻不會。未被引用的對象當然是不再被使用的對象，因為沒有對象再引用它。然而無用對象卻不全是未被引用對象。其中還有被引用的。就是這種情況導致了內存泄漏。
如何防止內存泄露
下面是幾條容易上手的建議，來幫助你防止內存泄漏的發生。
- 特別注意一些像HashMap、ArrayList的集合對象，它們經常會引發內存泄漏。當它們被聲明為static時，它們的生命周期就會和應用程序一樣長。
- 特別注意事件監聽和回調函數。當一個監聽器在使用的時候被注冊，但不再使用之后卻未被反注冊。
- “如果一個類自己管理內存，那開發人員就得小心內存泄漏問題了。” 通常一些成員變量引用其他對象，初始化的時候需要置空。
垃圾回收機制算法
引用計數法
1.1概述
給對象中添加一個引用計數器，每當有一個地方引用它時，計數器值就加1；當引用失效時，計數器值就減1；任何時刻計數器都為0的對象就是不再被使用的，垃圾收集器將回收該對象使用的內存。
1.2優缺點
優點：
引用計數收集器可以很快的執行，交織在程序運行中。對程序需要不被長時間打斷的實時環境比較有利。
缺點：
無法檢測出循環引用。如父對象有一個對子對象的引用，子對象反過來引用父對象。這樣，他們的引用計數永遠不可能為0.而且每次加減非常浪費內存。
復制算法
s0和s1將可用內存按容量分成大小相等的兩塊，每次只使用其中一塊，當這塊內存使用完了，就將還存活的對象復制到另一塊內存上去，然后把使用過的內存空間一次清理掉。這樣使得每次都是對其中一塊內存進行回收，內存分配時不用考慮內存碎片等復雜情況，只需要移動堆頂指針，按順序分配內存即可，實現簡單，運行高效。
復制算法的缺點顯而易見，可使用的內存降為原來一半。
注：復制算法用于在新生代垃圾回收（s0，s1區）
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標記清除算法
標記-清除（Mark-Sweep）算法顧名思義，主要就是兩個動作，一個是標記，另一個就是清除。
標記就是根據特定的算法（如：引用計數算法，可達性分析算法等）標出內存中哪些對象可以回收，哪些對象還要繼續用。
標記指示回收（不可達），那就直接收掉；標記指示對象還能用（可達），那就原地不動留下。
缺點
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標記-壓縮算法
標記壓縮法在標記清除基礎之上做了優化，把存活的對象壓縮到內存一端,而后進行垃圾清理。(java中老年代使用的就是標記壓縮法)
分代收集算法
根據內存中對象的存活周期不同，將內存劃分為幾塊，java的虛擬機中一般把內存劃分為新生代和年老代，當新創建對象時一般在新生代中分配內存空間，當新生代垃圾收集器回收幾次之后仍然存活的對象會被移動到年老代內存中，當大對象在新生代中無法找到足夠的連續內存時也直接在年老代中創建。
對于新生代和老年代來說,新生代回收頻率很高,但是每次回收耗時很短,而老年代回收頻率較低,但是耗時會相對較長,所以應該盡量減少老年代的GC.
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垃圾回收時的停頓現象
垃圾回收的任務是識別和回收垃圾對象進行內存清理，為了讓垃圾回收器可以更高效的執行，大部分情況下，會要求系統進入一個停頓的狀態。停頓的目的是為了暫停所有的應用線程，只有這樣系統才不會有新垃圾的產生。同時停頓保證了系統狀態在某一個瞬間的一致性，也有利于更好的標記垃圾對象。因此在垃圾回收時，都會產生應用程序的停頓。
垃圾收集器
什么是Java垃圾回收器
Java垃圾回收器是Java虛擬機(JVM)的三個重要模塊(另外兩個是解釋器和多線程機制)之一，為應用程序提供內存的自動分配(Memory Allocation)、自動回收(Garbage Collect)功能，這兩個操作都發生在Java堆上(一段內存快)。某一個時點，一個對象如果有一個以上的引用(Rreference)指向它，那么該對象就是活著的(Live)，否則死亡(Dead)，視為垃圾，可被垃圾回收器回收再利用。垃圾回收操作需要消耗CPU、線程、時間等資源，所以容易理解的是垃圾回收操作不是實時的發生(即并不是對象死亡馬上釋放)，當內存消耗完或者是達到某一個指標(Threshold,使用內存占總內存的比列，比如0.75)時，觸發垃圾回收操作。有一個對象死亡的例外，java.lang.Thread類型的對象即使沒有引用，只要線程還在運行，就不會被回收。
串行回收器(Serial Collector)
單線程執行回收操作，回收期間暫停所有應用線程的執行，client模式下的默認回收器，通過-XX:+UseSerialGC命令行可選項強制指定。參數可以設置使用新生代串行和老年代串行回收器。
年輕代的回收算法(Minor Collection)：
把Eden區的存活對象移到To區，To區裝不下直接移到年老代，把From區的移到To區，To區裝不下直接移到年老代，From區里面年齡很大的升級到年老代。 回收結束之后，Eden和From區都為空，此時把From和To的功能互換，From變To，To變From，每一輪回收之前To都是空的。設計的選型為復制。
年老代的回收算法(Full Collection)：
年老代的回收分為三個步驟，標記(Mark)、清除(Sweep)、合并(Compact)。標記階段把所有存活的對象標記出來，清除階段釋放所有死亡的對象，合并階段 把所有活著的對象合并到年老代的前部分，把空閑的片段都留到后面。設計的選型為合并，減少內存的碎片。
并行回收
并行回收器(ParNew回收器)
并行回收器在串行回收器基礎上做了改進，他可以使用多個線程同時進行垃
圾回收，對于計算能力強的計算機而言，可以有效的縮短垃圾回收所需的尖
際時間。
ParNew 回收器是一個工作在新生代的垃圾回收器，它只是簡單地將串行回收器多線程化 ，它的回收策略，算法以及參數和新生代串行回收器一樣。
使用-XX:+UseParNewGC 新生代ParNew回收器，老年代則使用串行回收器，
ParNew回收器工作時的線程數量可以使用XX:ParaleiGCThreads參數指
定，一般最好和計算機的CPU相當，避免過多的栽程影響性能。
并行回收集器(ParallelGC回收器)
老年代ParallelOldGC回收器也是一種多線程的回收器，和新生代的
ParallelGC回收器一樣，也是一種關往吞吐量的回收器，他使用了標記壓縮
算法進行實現。
-XX:+UseParallelOldGC?進行設置
-XX:+ParallelCThread也可以設置垃圾收集時的線程教量。
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CMS(并發GC)收集器
CMS(Concurrent Mark Sweep)收集器是一種以獲取最短回收停頓時間為目標的收集器。CMS收集器是基于“標記-清除”算法實現的，整個收集過程大致分為4個步驟：
①.初始標記(CMS initial mark)
②.并發標記(CMS concurrenr mark)
③.重新標記(CMS remark)
④.并發清除(CMS concurrent sweep)
? ? ?其中初始標記、重新標記這兩個步驟仍然需要停頓其他用戶線程。初始標記僅僅只是標記出GC ROOTS能直接關聯到的對象，速度很快，并發標記階段是進行GC ROOTS 根搜索算法階段，會判定對象是否存活。而重新標記階段則是為了修正并發標記期間，因用戶程序繼續運行而導致標記產生變動的那一部分對象的標記記錄，這個階段的停頓時間會被初始標記階段稍長，但比并發標記階段要短。
? ? ?由于整個過程中耗時最長的并發標記和并發清除過程中，收集器線程都可以與用戶線程一起工作，所以整體來說，CMS收集器的內存回收過程是與用戶線程一起并發執行的。
CMS收集器的優點：并發收集、低停頓，但是CMS還遠遠達不到完美，CMS收集器主要有三個顯著缺點：
CMS收集器對CPU資源非常敏感。在并發階段，雖然不會導致用戶線程停頓，但是會占用CPU資源而導致引用程序變慢，總吞吐量下降。CMS默認啟動的回收線程數是：(CPU數量+3) / 4。
CMS收集器無法處理浮動垃圾，可能出現“Concurrent Mode Failure“，失敗后而導致另一次Full GC的產生。由于CMS并發清理階段用戶線程還在運行，伴隨程序的運行自然會有新的垃圾不斷產生，這一部分垃圾出現在標記過程之后，CMS無法在本次收集中處理它們，只好留待下一次GC時將其清理掉。這一部分垃圾稱為“浮動垃圾”。也是由于在垃圾收集階段用戶線程還需要運行，即需要預留足夠的內存空間給用戶線程使用，因此CMS收集器不能像其他收集器那樣等到老年代幾乎完全被填滿了再進行收集，需要預留一部分內存空間提供并發收集時的程序運作使用。在默認設置下，CMS收集器在老年代使用了68%的空間時就會被激活，也可以通過參數-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction的值來提供觸發百分比，以降低內存回收次數提高性能。要是CMS運行期間預留的內存無法滿足程序其他線程需要，就會出現“Concurrent Mode Failure”失敗，這時候虛擬機將啟動后備預案：臨時啟用Serial Old收集器來重新進行老年代的垃圾收集，這樣停頓時間就很長了。所以說參數-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction設置的過高將會很容易導致“Concurrent Mode Failure”失敗，性能反而降低。
最后一個缺點，CMS是基于“標記-清除”算法實現的收集器，使用“標記-清除”算法收集后，會產生大量碎片。空間碎片太多時，將會給對象分配帶來很多麻煩，比如說大對象，內存空間找不到連續的空間來分配不得不提前觸發一次Full GC。為了解決這個問題，CMS收集器提供了一個-XX:UseCMSCompactAtFullCollection開關參數，用于在Full GC之后增加一個碎片整理過程，還可通過-XX:CMSFullGCBeforeCompaction參數設置執行多少次不壓縮的Full GC之后，跟著來一次碎片整理過程。
G1回收器
G1回收器(Garbage-First)實在jdk1.7中提出的垃圾回收器，從長期目標來看是為了取
代CMS回收器，G1回收器擁有獨特的垃圾回收策略，G1屬于分代垃圾回收器，區分
新生代和老年代，依然有eden和from/to區,它并不要求整個eden區或者新生代、老
年代的空間都連續，它使用了分區算法。
并行性:?G1回收期間可多線程同時工作。
并發性：G1擁有與應用程序交替執行能力，部分工作可與應用程序同時執行，在整個
GC期間不會完全阻塞應用程序。
分代GC: G1依然是一個分代的收集器，但是它是非兩新生代和老年代一杯政的雜尊。
空間整理：G1在回收過程中，不會像CMS那樣在若干次GC后要進行碎片整理。G1采用了有效復制對象的方式，減少空間碎片。
可預見性：由于分區的原因，G1可以只選取部分區域進行回收，縮小了回收的范圍，提升了性能。
使用-XX:+UseG1GC應用G1收集器
使用-XX:MaxGCPausel指定最大停頓時間（Mills）
使用-XX:ParallelGCThreads設置并行回收的線程數量
總結
初始堆值和最大堆內存內存越大，吞吐量就越高。
最好使用并行收集器,因為并行收集器速度比串行吞吐量高，速度快。
設置堆內存新生代的比例和老年代的比例最好為1:2或者1:3。
減少GC對老年代的回收。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的java垃圾回收机制算法分析的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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