深入理解 Java 虚拟机【3】垃圾收集策略与算法

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作者:杨立滨

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程序员的出路

写程序时该追求什么,什么是次要的?

如何准备Java初级和高级的技术面试

程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈随线程而生,也随线程而灭;栈帧随着方法的开始而入栈,随着方法的结束而出栈。这几个区域的内存分配和回收都具有确定性,在这几个区域内不需要过多考虑回收的问题,因为方法结束或者线程结束时,内存自然就跟随着回收了。

而对于 Java 堆和方法区,我们只有在程序运行期间才能知道会创建哪些对象,这部分内存的分配和回收都是动态的,垃圾收集器所关注的正是这部分内存。

判定对象是否存活

若一个对象不被任何对象或变量引用,那么它就是无效对象,需要被回收。

引用计数法

在对象头维护着一个 counter 计数器,对象被引用一次则计数器 +1;若引用失效则计数器 -1。当计数器为 0 时,就认为该对象无效了。

引用计数算法的实现简单,判定效率也很高,在大部分情况下它都是一个不错的算法。但是主流的 Java 虚拟机里没有选用引用计数算法来管理内存,主要是因为它很难解决对象之间循环引用的问题。

举个栗子👉对象 objA 和 objB 都有字段 instance,令 objA.instance = objB 并且 objB.instance = objA,由于它们互相引用着对方,导致它们的引用计数都不为 0,于是引用计数算法无法通知 GC 收集器回收它们。

可达性分析法

所有和 GC Roots 直接或间接关联的对象都是有效对象,和 GC Roots 没有关联的对象就是无效对象。

GC Roots 是指:

Java 虚拟机栈(栈帧中的本地变量表)中引用的对象

  • 本地方法栈中引用的对象
  • 方法区中常量引用的对象
  • 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

    GC Roots 并不包括堆中对象所引用的对象,这样就不会有循环引用的问题。

    引用的种类

    判定对象是否存活与“引用”有关。在 JDK 1.2 以前,Java 中的引用定义很传统,一个对象只有被引用或者没有被引用两种状态,我们希望能描述这一类对象:当内存空间还足够时,则保留在内存中;如果内存空间在进行垃圾手收集后还是非常紧张,则可以抛弃这些对象。很多系统的缓存功能都符合这样的应用场景。

    在 JDK 1.2 之后,Java 对引用的概念进行了扩充,将引用分为了以下四种:

    强引用(Strong Reference)

    类似 “Object obj = new Object()” 这类的引用,就是强引用,只要强引用存在,垃圾收集器永远不会回收被引用的对象。

    软引用(Soft Reference)

    软引用是用来描述一些有用但并非必需的对象,j就是说,内存足够时留着它们,内存即将发生溢出时把这些对象列入回收范围进行回收。若回收过后还没有足够的内存,才抛出内存溢出异常。

    弱引用(Weak Reference)

    弱引用也是用来描述非必需对象的,但是它的强度比软引用更弱一些。当 JVM 进行垃圾回收时,无论内存是否充足,都会回收被软引用关联的对象。

    虚引用(Phantom Reference)

    虚引用也称幽灵引用或者幻影引用,它是最弱的一种引用关系。一个对象是否有虚引用的存在,完全不会对其生存时间构成影响。为一个对象设置虚引用关联的唯一目的就是能在这个对象被收集器回收时收到一个系统通知。

    回收堆中无效对象

    对于可达性分析中不可达的对象,也并不是没有存活的可能。

    判定 finalize() 是否有必要执行

    JVM 会判断此对象是否有必要执行 finalize() 方法,如果对象没有覆盖 finalize() 方法,或者 finalize() 方法已经被虚拟机调用过,那么视为“没有必要执行”。那么对象基本上就真的被回收了。

    如果对象被判定为有必要执行 finalize() 方法,那么对象会被放入一个 F-Queue 队列中,虚拟机会以较低的优先级执行这些 finalize()方法,但不会确保所有的 finalize() 方法都会执行结束。如果 finalize() 方法出现耗时操作,虚拟机就直接停止指向该方法,将对象清除。

    对象重生或死亡

    如果在执行 finalize() 方法时,将 this 赋给了某一个引用,那么该对象就重生了。如果没有,那么就会被垃圾收集器清除。

    任何一个对象的 finalize() 方法只会被系统自动调用一次,如果对象面临下一次回收,它的 finalize() 方法不会被再次执行,想继续在 finalize() 中自救就失效了。

    回收方法区内存

    方法区中存放生命周期较长的类信息、常量、静态变量,每次垃圾收集只有少量的垃圾被清除。方法区中主要清除两种垃圾:

  • 废弃常量
  • 无用的类
  • 无用的类

    判定废弃常量

    只要常量池中的常量不被任何变量或对象引用,那么这些常量就会被清除掉。比如,一个字符串 “bingo” 进入了常量池,但是当前系统没有任何一个 String 对象引用常量池中的 “bingo” 常量,也没有其它地方引用这个字面量,必要的话,”bingo”常量会被清理出常量池。

    判定无用的类

    判定一个类是否是“无用的类”,条件较为苛刻:

  • 该类的所有对象都已经被清除
  • 加载该类的 ClassLoader 已经被回收
  • 该类的 java.lang.Class 对象没有在任何地方被引用,无法在任何地方通过反射访问该类的方法。
  • 加载该类的 ClassLoader 已经被回收

    一个类被虚拟机加载进方法区,那么在堆中就会有一个代表该类的对象:java.lang.Class。这个对象在类被加载进方法区时创建,在方法区该类被删除时清除。

    垃圾收集算法

    学会了如何判定无效对象、无用类、废弃常量之后,剩余工作就是回收这些垃圾。常见的垃圾收集算法有以下几个:

    标记-清除算法

    判断哪些数据需要清除,并对它们进行标记,然后清除被标记的数据。

    这种方法有两个不足:

  • 效率问题:标记和清除两个过程的效率都不高。
  • 空间问题:标记清除之后会产生大量不连续的内存碎片,碎片太多可能导致以后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。
  • 空间问题:标记清除之后会产生大量不连续的内存碎片,碎片太多可能导致以后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(新生代)

    为了解决效率问题,“复制”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。当这一块内存用完,需要进行垃圾收集时,就将存活者的对象复制到另一块上面,然后将第一块内存全部清除。这种算法有优有劣:

  • 优点:不会有内存碎片的问题。
  • 缺点:内存缩小为原来的一半,浪费空间。
  • 缺点:内存缩小为原来的一半,浪费空间。

    为了解决空间利用率问题,可以将内存分为三块: Eden、From Survivor、To Survivor,比例是 8:1:1,每次使用 Eden 和其中一块 Survivor。回收时,将 Eden 和 Survivor 中还存活的对象一次性复制到另外一块 Survivor 空间上,最后清理掉 Eden 和刚才使用的 Survivor 空间。这样只有 10% 的内存被浪费。

    但是我们无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,需要依赖其他内存(指老年代)进行分配担保。

    分配担保

    为对象分配内存空间时,如果 Eden+Survivor 中空闲区域无法装下该对象,会触发 MinorGC 进行垃圾收集。但如果 Minor GC 过后依然有超过 10% 的对象存活,这样存活的对象直接通过分配担保机制进入老年代,然后再将新对象存入 Eden 区。

    标记-整理算法(老年代)

    在回收垃圾前,首先将废弃对象做上标记,然后将未标记的对象移到一边,最后清空另一边区域即可。

    这是一种老年代的垃圾收集算法。老年代的对象一般寿命比较长,因此每次垃圾回收会有大量对象存活,如果采用复制算法,每次需要复制大量存活的对象,效率很低。

    分代收集算法

    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,针对各个年代的特点采用最适当的收集算法。

  • 新生代:复制算法
  • 老年代:标记-清除算法、标记-整理算法
  • 老年代:标记-清除算法、标记-整理算法

    (完)

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