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jvm - 垃圾回收

注意 : 本系列文章為學(xué)習(xí)系列,部分內(nèi)容會取自相關(guān)書籍或者網(wǎng)絡(luò)資源,在文章中間和末尾處會有標(biāo)注

垃圾回收的意義

它使得java程序員不再時時刻刻的關(guān)注內(nèi)存管理方面的工作.

垃圾回收機(jī)制會自動的管理jvm內(nèi)存空間,將那些已經(jīng)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(jìn)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(yuǎn)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(tǒng)內(nèi)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(xiàn)軟引用

• 弱引用?: 用來描述一些非必須的對象,只要發(fā)生GC,無論但是內(nèi)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(xiàn)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(xiàn)虛引用

如下為相關(guān)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(nèi)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(jīng)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(qū)別在于：虛引用必須和引用隊列 （ReferenceQueue）聯(lián)合使用。//當(dāng)垃圾回收器準(zhǔn)備回收一個對象時，如果發(fā)現(xiàn)它還有虛引用，就會在回收對象的內(nèi)存之前，把這個虛引用加入到與之 關(guān)聯(lián)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(dāng)然,關(guān)于這幾種引用還有很多知識點,本文只做簡單的介紹,后續(xù)有機(jī)會再單獨的文章詳細(xì)介紹.

如何確定需要回收的垃圾對象?

引用計數(shù)器

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

引用計數(shù)算法的實現(xiàn)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(dāng)Java語言并沒有選擇這種算法來進(jìn)行垃圾回收，主要原因是它很難解決對象之間的相互循環(huán)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(huán)引用,這樣a和b就永遠(yuǎn)不會被回收

如果你在互聯(lián)網(wǎng)上搜索"引用計數(shù)器"這個關(guān)鍵字,通常都會得到以上這一個結(jié)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(shù)器加1,TestA的引用數(shù)量為1

• 第二行?: TestB的引用計數(shù)器加1,TestB的引用數(shù)量為1

• 第三行?: TestB的引用計數(shù)器加1,TestB的引用數(shù)量為2

• 第四行?: TestA的引用計數(shù)器加1,TestA的引用數(shù)量為2

內(nèi)存分布如下圖

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

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

內(nèi)存分布如下圖

• 結(jié)論?: 雖然上面程序?qū)和b設(shè)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(shù)器依然不等于0,這個就稱為循環(huán)引用,所以說"引用計數(shù)器"會存在這個問題,導(dǎo)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(dá)性分析

雖然以上的"引用計數(shù)器"算法存在"循環(huán)引用"的問題,不過目前主流的虛擬機(jī)都采用"可達(dá)性分析(GC Roots Tracing)"算法來標(biāo)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(dāng)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(dá)對象"

GC Roots包括:

• 虛擬機(jī)棧(棧幀中的本地變量表)中的引用對象

• 方法區(qū)中的靜態(tài)屬性實體引用的對象

• 方法區(qū)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(jīng)歷兩次標(biāo)記過程 :

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

• 當(dāng)對象沒有覆蓋finalize（）方法，或finalize（）方法已經(jīng)被虛擬機(jī)調(diào)用過，虛擬機(jī)將這兩種情況都視為沒有必要執(zhí)行

• 如果該對象被判定為有必要執(zhí)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(jī)自動建立的、低優(yōu)先級的Finalizer線程去執(zhí)行finalize（）方法

• finalize（）方法是對象逃脫死亡命運的最后一次機(jī)會（因為一個對象的finalize（）方法最多只會被系統(tǒng)自動調(diào)用一次）, 稍后GC將對F-Queue中的對象進(jìn)行第二次小規(guī)模的標(biāo)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(guān)聯(lián)即可

• 而如果對象這時還沒有關(guān)聯(lián)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g(shù)c roots可達(dá)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(dá)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(shù)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(dá)性,所以,在"可達(dá)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(biāo)記-清除 算法

算法分為"標(biāo)記"和"清除"兩個階段,首先標(biāo)記出需要回收的對象,在標(biāo)記完成后,統(tǒng)一回收掉之前被標(biāo)記的所有對象. 它是最基礎(chǔ)的收集算法 . 后續(xù)的收集算法都是基于這種思想,并且對其缺點進(jìn)行改進(jìn)而產(chǎn)生的

主要缺點:

• 效率問題 : 需要標(biāo)記和清除兩次掃描

• 空間問題 : 標(biāo)記和清除之后會產(chǎn)生大量的不連續(xù)的內(nèi)存碎片,可能會導(dǎo)致,當(dāng)程序需要分配一個較大內(nèi)存空間的時候,無法找到足夠的連續(xù)內(nèi)存,從而不得不提前出發(fā)另外一次垃圾回收動作

復(fù)制 算法

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

優(yōu)點 :

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

缺點 :

• 會將內(nèi)存縮小為原來的一半

• 持續(xù)復(fù)制長生期的對象則導(dǎo)致效率降低 (沒理解) (對于存活率較高的對象,就會對其進(jìn)行多次復(fù)制,從而導(dǎo)致效率降低)

標(biāo)記-壓縮 算法

和標(biāo)記-清除算法一樣,只不過標(biāo)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(biāo)記的對象)

特點 :

• 復(fù)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(zhí)行較多的復(fù)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(biāo)記—清理算法

• 該算法標(biāo)記的過程與標(biāo)記—清除算法中的標(biāo)記過程一樣，但對標(biāo)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(jìn)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(nèi)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(fù)制算法",就只需要付出少量存活對象的復(fù)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(jìn)行分配和擔(dān)保,那就必須使用"標(biāo)記-清除算法"或者"標(biāo)記-壓縮算法"來進(jìn)行回收

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

老年代:?在年輕代中經(jīng)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(zhí)行Major GC,來清理.在某些情況下,則會觸發(fā)Full GC,來清理整個堆內(nèi)存

元空間:?堆外的一部分內(nèi)存,通常直接使用的是系統(tǒng)內(nèi)存,用于存放運行時常量池,等內(nèi)容,垃圾回收對應(yīng)元空間來說沒有明顯的影響

垃圾收集器

垃圾收集器是內(nèi)存回收算法的具體實現(xiàn)，Java虛擬機(jī)規(guī)范中對垃圾收集器應(yīng)該如何實現(xiàn)并沒有任何規(guī)定，因此不同廠商、不同版本的虛擬機(jī)所提供的垃圾收集器都可能會有很大的差別

Sun HotSpot虛擬機(jī)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(qū)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(wěn)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(fù)制算法"

老年代使用"標(biāo)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(fù)制算法"

老年代使用"標(biāo)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(guān)注系統(tǒng)的吞吐量.

可以通過參數(shù)來打開"自適應(yīng)調(diào)節(jié)策略",虛擬機(jī)會根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的運行情況收集性能監(jiān)控信息,動態(tài)調(diào)整這些參數(shù)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(shù)控制GC的時間不大于多少毫秒或者比例

新生代使用"復(fù)制算法"

老年代使用"標(biāo)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(biāo)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(biāo)記-清除"算法實現(xiàn)的,它的運作過程相對于前面的其中收集器要復(fù)雜一些,整個過程分為4個步驟,包括 :

• 初始標(biāo)記(CMS initial mark)

• 并發(fā)標(biāo)記(CMS concurrent mark)

• 重新標(biāo)記(CMS remark)

• 并發(fā)清除(CMS concurrent sweep)

初始標(biāo)記和并發(fā)標(biāo)記仍需要Stop the World.

初始標(biāo)記僅僅只是標(biāo)記一下GC Root能直接關(guān)聯(lián)到的對象,速度很快.

并發(fā)標(biāo)記階段就是進(jìn)行GC Root Tracing的過程.

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

整個過程中耗時最長的并發(fā)標(biāo)記和并發(fā)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(nèi)存回收是與用戶線程一起并發(fā)執(zhí)行的

優(yōu)點 : 并發(fā)收集,低停頓

缺點 : 產(chǎn)生大量的空間碎片,并發(fā)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(biāo)記-整理算法,不會產(chǎn)生空間碎片.分配大對象時不會應(yīng)為找不到連續(xù)的空間而提前觸發(fā)下一次GC

• 可預(yù)測停頓 :

  • 降低停頓時間是G1和CMS的共同關(guān)注點

  • G1除了追求低停頓外,還能建立可預(yù)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(nèi),消耗在垃圾收集上的時間不得超過N毫秒,幾乎已經(jīng)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(nèi)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(qū)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(xù))Region的集合

G1的新生代收集器跟ParNew類似,當(dāng)新生代占用達(dá)到一定的比例的時候,開始觸發(fā)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(biāo)記階段 :

  • 首先初始標(biāo)記(initial mark),這個階段是停頓的(Stop the world event),并且會觸發(fā)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(qū)(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(jìn)行并發(fā)標(biāo)記(和應(yīng)用程序并發(fā)執(zhí)行),此過程可能會被young GC中斷

  • 若發(fā)現(xiàn)區(qū)域?qū)ο笾械乃袑ο蠖际抢?那個區(qū)域就會被立即回收

  • 同時,并發(fā)標(biāo)記過程中,會去計算每個區(qū)域的對象活性(區(qū)域中存活對象的比例)

• Remark :

  • 再標(biāo)記,會有短暫停頓(STW)

  • 是用來收集并發(fā)標(biāo)記階段,產(chǎn)生新的垃圾(并發(fā)階段和應(yīng)用程序一同執(zhí)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(qū)域的存活對象拷貝到新的區(qū)域,清除Remember Sets,并發(fā)清空回收區(qū)域,并把它返回到空閑的區(qū)域鏈表中

• 復(fù)制/清除過程后 :

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

參考文獻(xiàn)

<<深入理解JVM虛擬機(jī)>>

結(jié)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(xiàn)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(dāng)然,本篇文章的每個點深入的聊起來,都夠?qū)懕緯牧?呵呵).

后續(xù)會找機(jī)會逐個的將這些點跟大家深入的討論.

總之 "學(xué)無止境" , 與大家共勉 .

轉(zhuǎn)載于:https://my.oschina.net/JiangTun/blog/1559606

總結(jié)

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

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