Java垃圾回收机制

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Java垃圾回收机制

对象被判定为垃圾的算法

引用计数算法 和 可达性分析算法

引用计数算法

判断对象的引用数量

  • 通过判断对象的引用数量来决定对象是否可以被回收
  • 每个对象实例都有一个引用计数器，被引用+1，完成引用-1
  • 任何引用计数为0的对象实例可以被当作垃圾收集

优点：执行效率高，程序执行受影响较小

缺点：无法检测出循环引用的情况，导致内存泄露

可达性分析算法（主流）

通过判断对象的引用链是否可达来决定对象是否可以被回收

  • GC Root -> Object1 -> Object2
  • Object3 -> Object4 （没有与GC Root相连，可以被垃圾回收）

可作为GC Root的对象

  • 虚拟机栈中的引用对象（栈帧中的本地变量表）
  • 方法区中的常量引用的对象（保存的是某个对象的地址）
  • 方法区中的类静态属性引用的对象
  • 本地方法中JNI（Native方法）的引用对象
  • 活跃线程的引用对象

垃圾回收算法

标记-清除算法 ， 复制算法 ， 标记-整理算法 和 分代收集算法

标记-清除算法（Mark and Sweep）

  • 标记：从根集合进行扫描，对存活的对象进行标记
  • 清除：对堆内存从头到尾进行线性遍历，回收不可达对象内存
  • 特点：碎片化

复制算法（Copying）年轻代常用

  • 分为对象面和空闲面
  • 对象在对象面上创建
  • 对象面用尽后，存活的对象被从对象面顺序复制到空闲面
  • 将对象面所有对象内存清除
  • 特点：
    • 解决碎片化问题
    • 顺序分配内存，简单高效
    • 适用于对象存活率低的场景（年轻代）
  • 缺点：只能使用50%的内存空间

标记-整理算法（Compacting） 老年代常用

  • 标记：从根集合进行扫描，对存活的对象进行标记
  • 清除（整理）：移动所有存活的对象，且按照内存地址次序依次排列，然后将末端内存地址以后的内存全部回收
  • 特点：
    • 避免内存的不连续性
    • 不需要设置两块内存互换
    • 适用于存活率高的场景（老年代）

分代收集算法（Generational Collector）

  • 上述垃圾回收算法的组合
  • 按照对象生命周期的不同划分区域以采用不同的垃圾回收算法
  • 目的：提高JVM垃圾回收效率

GC分类

  • Minor GC：当Eden区被占满时，触发Minor GC
  • Full GC：情况很多，后面单独讨论

分代收集算法

年轻代垃圾回收过程

年轻代：尽可能快速地收集掉生命周期较短的对象

  • Eden区（几乎所有对象都从Eden区生成，容量为年轻代的8/10）
  • 两个Survivor区（容量各为年轻代的1/10）

  1. 程序在Eden区被创建

  2. 当Eden区被占满时，触发Minor GC，并将存活对象移动到Survivor区A（存活对象年龄+1），清空Eden区

  3. 当Eden区再次被占满时，再次触发Minor GC，并将Survivor-A和Eden区的存活对象复制到Survivor-B中（存活对象年龄+1），清空Eden区和Survivor-A区。两个Survivor区from和to性质调换。

  4. 当对象年龄达到某个值（默认是15，可通过-XX:MaxTenuringThreshold修改）进入老年代

    注：如果对象过大，Eden区/Survivor区装不下，则直接进入老年代。

年轻代中的对象对象如何晋升到老年代

  • 新生代对象经历一定Minor次数依然存活的对象
  • Survivor区/Eden区中放不下的对象
  • 新生成的大对象（-XX:+PretenuerSizeThreshold）

老年代垃圾回收过程

老年代：存放生命周期较长的对象，常用标记-清除算法，标记-整理算法

  • Full GC 和 Major GC是等价的（也有说Major GC特指老年代回收，而不像Full GC一样包括Minor GC）
  • Full GC比Minor GC慢得多，执行频率低

触发Full GC的条件

  • 老年代空间不足
  • 永久代空间不足（≤ JDK1.7）
  • Minor GC晋升到老年代的平均大小大于老年代的剩余空间
  • CMS（并发标记-清除算法） GC时，出现promotion failed（Minor GC时，Survivor放不下了，则需要将对象晋升到老年代，但老年代也放不下了）， concurrent mode failure（并行时同时有多个对象放入老年代，但老年代空间不足）
  • 调用System.gc()
  • 使用RMI来进行RPC或管理的JDK应用，每小时执行1次Full GC

垃圾收集器（不同于垃圾收集算法）

两个概念Stop-the-World 和 Safepoint

Stop-the-World

  • JVM由于要执行GC而停止了应用程序的执行
  • 任何一种GC算法中都会发生
  • 多数GC优化通过减少Stop-the-World发生的时间来提高程序性能

Safepoint

  • 分析过程中对象引用关系不会发生变化的点
  • 产生Safepoint的地方：方法调用；循环跳转；异常跳转等

当所有线程都运行到安全点，垃圾回收器才开始运行。

JVM运行模式

  • Server：启动慢，运行快（优化较多）
  • Client：启动快，运行慢

年轻代常见的垃圾收集器

各个收集器兼容性如下图所示，其中G1收集器不与任何其他收集器兼容：

各个收集器的兼容性

  1. Serial收集器（-XX:+UseSerialGC，复制算法）

    • 单线程收集，进行垃圾收集时，必须暂停所有工作线程
    • 简单高效，Client模式下默认的年轻代收集器

  2. ParNew收集器（-XX:+UseParNewGC，复制算法）

    • 多线程收集，进行垃圾收集时，必须暂停所有工作线程
    • 单核执行效率不如Serial，在多核下执行有优势

  3. Parallel Scavenge收集器（-XX:+UseParallelGC，复制算法）

    • 比起关注用户线程停顿时间，更关注系统的吞吐量（后台运算有优势）
    • 在多核下执行才有优势，Server模式下默认的年轻代收集器

老年代常见的垃圾收集器

  1. Serial Old收集器（-XX:+UseSerialOldGC，标记-整理算法）

    • 单线程收集，进行垃圾收集时，必须暂停所有工作线程
    • 简单高效

  2. Parallel Old收集器（-XX:+UseParallelOldGC，标记-整理算法）

    • 多线程，吞吐量优先

  3. CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器（-XX:+UseConcMarkSweepGC，标记-清除算法）

    垃圾收集器是一款以获取最短停顿时间为目标的收集器。由于现代互联网中的应用，比较重视服务的响应速度和系统的停顿时间，所以CMS收集器非常适合在这种场景下使用。

    • 初始标记（JVM停顿）：stop-the-world（虚拟机停顿正在执行的任务，从虚拟机根对象开始扫描到与之直接关联的对象，以及被存活的青年代对象所直接引用的对象，并做标记）
    • 并发标记：并发追溯标记，程序不会停顿
    • （并发预清理：查找执行并发标记阶段从年轻代晋升到老年代的对象）
    • 重新标记（JVM停顿）：暂停虚拟机，扫描CMS堆中的剩余对象
    • 并发清理：清理垃圾对象，程序不会卡顿
    • （并发重置：重置CMS收集器的数据结构）

年轻代和老年代均适用的收集器——Garbage First（G1）收集器（复制+标记-整理算法）

  • 特点：

    • 并行和并发
    • 分代收集
    • 空间整合（不像CMS用的是标记-清除算法）
    • 可预测的停顿

  • 将整个Java堆内存划分成多个大小相等的Region（不再划分年轻代和老年代，但仍然保留该概念）

  • 年轻代和老年代不再物理隔离（内存中每个可用状态都可以自由地被分为年轻代/老年代）

Object的finalize()方法的作用

  • 与C++的析构函数不同，析构函数调用确定，而finalize()是不确定的
  • 将未被引用的对象放置于F-Queue队列
  • 方法执行中随时可能会被终止
  • 给予对象最后一次重生机会

Java中的强引用，软引用，弱引用，虚引用有什么区别

强引用（Strong Reference）

  • 最普遍的引用：

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    Object o = new Object();

  • 当内存空间不足时，即使抛出OutOfMemortError终止程序也不会回收具有强引用的对象

  • 通过将对象设置为null来弱化引用，使其被回收

软引用（Soft Reference）

  • 对象处在有用但非必须的状态

  • 只有当内存空间不足时，GC会回收该引用的对象的内存

  • 可以用来实现高速缓存

    1
    2
    String str = new String("hello");	// 强引用
    SoftReference<String> sr = new SoftReference<String>(str);	// 软引用

弱引用（Weak Reference）

  • 非必需对象，比软引用更弱一些

  • GC时会被收回

  • 被回收的概率也不大，因为GC线程优先级比较低

  • 适用于引用偶尔被使用且不影响垃圾收集的对象

    1
    2
    String str = new String("hello");	// 强引用
    WeakReference<String> wr = new WeakReference<String>(str);	// 弱引用

虚引用（Phantom Reference）

  • 不会决定对象的生命周期

  • 类似于没有被引用，任何时候都可能被垃圾收集器回收

  • 跟踪对象被垃圾收集器回收的活动

  • 必须和引用队列ReferenceQueue联合使用

    1
    2
    3
    String str = new String("hello");	// 强引用
    ReferenceQueue q = new ReferenceQueue();
    PhantomReference r = new PhantomReference(str, q);	// 虚引用
    • 引用队列：
      • 无实际存储结构，存储逻辑依赖于内部节点之间的关系来表达（类似链表）
      • 存储关联的且被GC引用（回收）的软引用，弱引用以及虚引用
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