深入理解JVM之-垃圾收集器

概述

人们早就在思考GC需要完成的的3件事情:

  • 哪些内存需要回收?
  • 什么时候回收?
  • 如何回收?

进过了半个多实际的发展,目前内存的动态分配与内存回收技术已经相当成熟,一切看起来都已经进入了”自动化“时代,那为什么我们还亚欧去了解GCD内存分配呢?答案很简单:当需要排查各种内存溢出、内存泄露问题时,当垃圾收集成为系统达到更高并发量的瓶颈时,我们就需要对这些”自动化“的技术实施必要的监控和调节。

  • 程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈三个区域随线程而生,随线程而灭;这几个区域内就不需要考虑回收问题,因为方法结束或者线程结束时,内存就自然跟着回收了。
  • 堆内存则不一样,只有处于运行期间才能知道会创建哪些对象,这部分对象的分配和回收都是动态的,垃圾收集器关注的就是这部分。

对象已死吗?

虚拟机在做内存回收时,第一个要做的是判断内存中的对象是否还活着(即是否还能在被任何途径使用的对象)。

引用计数法

给对象中添加一个引用计数器,每当有一个地方引用它时,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。

  • 优点: 实现简单,判断效率也很高,在大部分情况下都是一个不错的选择;
  • 缺点: java虚拟机并诶呦选择这种算法垃圾回收,主要原因是它很难解决对象之间的相互循环引用问题。
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    public class ReferenceCountingGC {
    public Object instance = null;
    private static final int _1MB = 1024 * 1024;
    // 这个成员属性的唯一意义就是占点内存,以便在能在GC日志中看清楚是否有回收过
    private byte[] bigSize = new byte[2 * _1MB];
    public static void testGC() {
    ReferenceCountingGC objA = new ReferenceCountingGC();
    ReferenceCountingGC objB = new ReferenceCountingGC();
    objA.instance = objB;
    objB.instance = objA;
    objA = null;
    objB = null;
    // 假设在这行发生GC,objA和objB是否能被回收?
    System.gc();
    }
    }

对象objA和objB都有字段instance,赋值令objA.instance = objB;以及objB.instance = objA;,除此之外,这两个对象再无任何其他引用,实际上这两个对象已经不可能再被访问,但是因为它们互相引用着对方,导致它们的引用计数值都不为0,引用计数算法无法通知GC收集器回收它们。

可达性分析

通过一系列的称为GC Roots的对象作为起始点,从这些节点开始向下搜索,所走过的路径称为引用链(Reference Chain),当一个对象到GC Roots没有任何引用链时,则证明此对象是不可达的。 在Java语言里,可作为GC Roots的对象包括下面几种:

  • 虚拟机栈(栈帧中的本地变量表)中引用的对象。
  • 方法区中的类静态属性引用的对象。
  • 方法区中的常量引用的对象。
  • 本地方法栈中JNI(Native方法)的引用对象。

垃圾收集算法

标记清除算法

标记清楚算法(Mark-Sweep)是最基础的收集算法,如题它的名字一样算法分为“标记”和“清楚”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所有被标记的对象。 缺点:

  • (1)效率问题,标记和清除两个过程的效率都不高;
  • (2)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收集动作。

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。 (1)优点: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。 (2)缺点:算法的代价是将内存缩小为了原来的一半,未免太高了一点。 现在的商业虚拟机都采用这种收集算法来回收新生代,研究表明,新生代中的对象98%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%,只有10%的内存会被“浪费”。 当然,90%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(这里指老年代)进行分配担保(Handle Promotion)。

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,有人提出了另外一种“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。

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。

  • (1)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。
  • (2)在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—清理"或者"标记—整理"算法来进行回收。
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