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Java 垃圾回收(GC)

Java 垃圾回收(GC)

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前言

垃圾回收(Garbage Collection,简写为 GC)可能是虚拟机众多知识点中最为大众所熟知的一个了,也是Java开发者最关注的一块知识点。Java 语言开发者比 C 语言开发者幸福的地方就在于,我们不需要手动释放对象的内存,JVM 中的垃圾回收器(Garbage Collector)会为我们自动回收。但是这种幸福是有代价的:一旦这种自动化机制出错,我们又不得不去深入理解 GC 回收机制,甚至需要对这些"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 3 个区域随线程而生,随线程而灭;栈中的栈帧随着方法的进入和退出而有条不紊地执行着出栈和入栈操作,这几个区域内不需要过多考虑回收的问题。

堆和方法区则不一样,一个接口中的多个实现类需要的内存可能不一样,一个方法中的多个分支需要的内存也可能不一样,我们只有在程序处于运行期间时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关注的就是这部分内存

什么是垃圾

所谓垃圾就是内存中已经没有用的对象。 既然是"垃圾回收",那就必须知道哪些对象是垃圾。Java 虚拟机中使用一种叫作可达性分析的算法来决定对象是否可以被回收。

可达性分析

可达性分析算法是从离散数学中的图论引入的,JVM 把内存中所有的对象之间的引用关系看作一张图,通过一组名为”GC Root"的对象作为起始点,从这些节点开始向下搜索,搜索所走过的路径称为引用链,最后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。如下图所示:

比如上图中,对象ObjA/ObjB/ObjC 与 GC Root 之间都存在一条直接或者间接的引用链,这也代表它们与 GC Root 之间是可达的,因此它们是不能被 GC 回收掉的。

而ObjC和被ObjE用到,但是并不存在一条引用链连接它们与 GC Root,所以当 GC 进行垃圾回收时,只要遍历到 ObjC/ObjE/ObjG 这 3 个对象,就会将它们回收。

注意:图中说是对象,实际上代表的是此对象在内存中的引用。包括 GC Root 也是一组引用而并非对象。

GC Root 对象

在 Java 中,有以下几种对象可以作为 GC Root:

  1. Java 虚拟机栈(局部变量表)中的引用的对象。

  2. 方法区中静态引用指向的对象。

  3. 仍处于存活状态中的线程对象。

  4. Native 方法中 JNI 引用的对象。

什么时候回收

不同的虚拟机实现有着不同的 GC 实现机制,但是一般情况下每一种 GC 实现都会在以下两种情况下触发垃圾回收。

  • Allocation Failure:在堆内存中分配时,如果因为可用剩余空间不足导致对象内存分配失败,这时系统会触发一次 GC。

  • System.gc():在应用层,可以主动调用此 API 来请求一次 GC。

如何回收垃圾

下面咱们了解一下几种算法的思想以及优缺点

标记清除算法(Mark and Sweep GC)

从"GC Roots"集合开始,将内存整个遍历一次,保留所有可以被 GC Roots 直接或间接引用到的对象,而剩下的对象都当作垃圾对待并回收,过程分两步。

  1. Mark 标记阶段:找到内存中的所有 GC Root 对象,只要是和 GC Root 对象直接或者间接相连则标记为灰色(也就是存活对象),否则标记为黑色(也就是垃圾对象)。
  2. Sweep 清除阶段:当遍历完所有的 GC Root 之后,则将标记为垃圾的对象直接清除。

如下图所示:

  • 优点:实现简单,不需要将对象进行移动。
  • 缺点:这个算法需要中断进程内其他组件的执行(stop the world),并且可能产生内存碎片,提高了垃圾回收的频率。

复制算法(Copying)

将现有的内存空间分为两快,每次只使用其中一块,在垃圾回收时将正在使用的内存中的存活对象复制到未被使用的内存块中。之后,清除正在使用的内存块中的所有对象,交换两个内存的角色,完成垃圾回收。

  • 1.复制算法之前,内存分为 A/B 两块,并且当前只使用内存 A,内存的状况如下图。

  • 2.标记完之后,所有可达对象都被按次序复制到内存 B 中,并设置 B 为当前使用中的内存。内存状况如下图。

  • 优点:按顺序分配内存即可,实现简单、运行高效,不用考虑内存碎片。
  • 缺点:可用的内存大小缩小为原来的一半,对象存活率高时会频繁进行复制。

标记-压缩算法 (Mark-Compact)

需要先从根节点开始对所有可达对象做一次标记,之后,它并不简单地清理未标记的对象,而是将所有的存活对象压缩到内存的一端。最后,清理边界外所有的空间。因此标记压缩也分两步完成:

  1. Mark 标记阶段:找到内存中的所有 GC Root 对象,只要是和 GC Root 对象直接或者间接相连则标记为灰色(也就是存活对象),否则标记为黑色(也就是垃圾对象)。
  2. Compact 压缩阶段:将剩余存活对象按顺序压缩到内存的某一端。

  • 优点:这种方法既避免了碎片的产生,又不需要两块相同的内存空间,因此,其性价比比较高。
  • 缺点:所谓压缩操作,仍需要进行局部对象移动,所以一定程度上还是降低了效率。

JVM分代回收策略

Java 虚拟机根据对象存活的周期不同,把堆内存划分为几块,一般分为新生代、老年代,这就是 JVM 的内存分代策略。

注意: 在 HotSpot 中除了新生代和老年代,还有永久代

分代回收的中心思想就是:对于新创建的对象会在新生代中分配内存,此区域的对象生命周期一般较短。如果经过多次回收仍然存活下来,则将它们转移到老年代中。

年轻代(Young Generation)

新生成的对象优先存放在新生代中,新生代对象朝生夕死,存活率很低,在新生代中,常规应用进行一次垃圾收集一般可以回收 70%~95% 的空间,回收效率很高。新生代中因为要进行一些复制操作,所以一般采用的 GC 回收算法是复制算法。

Eden区

大多数情况下,对象会在新生代 Eden区中进行分配,当Eden区没有足够空间进行分配时,虚拟机会发起一次Minor GC,Minor GC 相比 Major GC更频繁,回收速度也更快。

通过Minor GC之后,Eden 会被清空,Eden区中绝大部分对象会被回收,而那些无需回收的存活对象,将会进到Survivor 的 From区(若 From区不够,则直接进入Old 区)。

Survivor区

Survivor区相当于是 Eden区和 Old区的一个缓冲

Survivor 又分为2个区,一个是 From 区,一个是To 区。每次执行 Minor GC,会将Eden区和 From 存活的对象放到Survivor 的 To 区(如果To区不够,则直接进入Old 区)。

Survivor 的存在意义就是减少被送到老年代的对象,进而减少Major GC的发生。Survivor的预筛选保 证,只有经历16次 Minor GC还能在新生代中存活的对象,才会被送到老年代。

Old区

老年代占据着2/3的堆内存空间,只有在Major GC 的时候才会进行清理,每次GC都会触发"Stop-The-World"。

内存越大,STW的时间也越长,所以内存也不仅仅是越大就越好。由于复制算法在对象存活率较高的老年代会进行很多次的复制操作,效率很低,所以老年代这里采用的是标记-整理算法

注意:对于老年代可能存在这么一种情况,老年代中的对象有时候会引用到新生代对象。这时如果要执行新生代 GC,则可能需要查询整个老年代上可能存在引用新生代的情况,这显然是低效的。所以,老年代中维护了一个 512 byte 的 card table,所有老年代对象引用新生代对象的信息都记录在这里。每当新生代发生 GC 时,只需要检查这个 card table 即可,大大提高了性能。

GC Log 分析

为了让上层应用开发人员更加方便的调试 Java 程序,JVM 提供了相应的 GC 日志。在 GC 执行垃圾回收事件的过程中,会有各种相应的 log 被打印出来。其中新生代和老年代所打印的日志是有区别的。

  • 新生代 GC:这一区域的 GC 叫作 Minor GC。因为 Java 对象大多都具备朝生夕灭的特性,所以 Minor GC 非常频繁,一般回收速度也比较快。
  • 老年代 GC:发生在这一区域的 GC 也叫作 Major GC 或者 Full GC。当出现了 Major GC,经常会伴随至少一次的 Minor GC。

注意:在有些虚拟机实现中,Major GC 和 Full GC 还是有一些区别的。Major GC 只是代表回收老年代的内存,而 Full GC 则代表回收整个堆中的内存,也就是新生代 + 老年代。

垃圾收集器

CMS

基于分代回收理论,详细介绍几个典型的垃圾回收算法,先来看 CMS 回收算法。CMS 在 JDK1.7 之前可以说是最主流的垃圾回收算法。CMS 使用标记清除算法,优点是并发收集,停顿小。

从名字(包含"Mark Sweep")上就可以看出 CMS收集器是基于“标记-清除"算法实现的,它的运作过程相对于其他收集器来说要更复杂一些,整个过程分为4个步骤,包括:

  • 初始标记(CMS initial mark)

  • 并发标记(CMs concurrent mark)

  • 重新标记(CMS remark)

  • 并发清除(CMS concurrent sweep)

注意:标记是指将存活的对象和要回收的对象都给标记出来,而清除是指清除掉将要回收的对象。

其中初始标记重新标记这两个步骤仍然需要"Stop The World"。

  • 初始标记:仅仅只是标记一下GC Roots 能直接可达(关联)的对象,速度很快;

  • 并发标记:GC 线程和应用线程并发执行,进行GC Roots Tracing(标记所有可达的对象)的过程;

  • 重新标记:为了修正并发标记期间,因用户程序继续运作而导致标记产生变动的那一部分对象的标记记录,停顿时间比并发标记要小很多,但比初始标记稍长,主要对对象进行重新扫描并标记;

  • 第四个阶段是并发清理阶段,进行并发的垃圾清理;

最后就是并发重置,为下一次 GC 重置相关数据结构。

G1

G1 在 1.9 版本后成为 JVM 的默认垃圾回收算法,G1 的特点是保持高回收率的同时,减少停顿。

与CMS收集器相比G1收集器有以下特点:

  • 1、空间整合,G1收集器采用标记整理算法,不会产生内存空间碎片。分配大的对象时不会因为无法找到连续空间而提前触发下一次GC。

  • 2、可预测停顿,这是G1的另一大优势,降低停顿时间是G1和CMS的共同关注点,但G1除了追求低停顿外,还能建立可预测的停顿时间模型,能让使用者明确指定在一个长度为N毫秒的时间片段内,消耗在垃圾收集上的时间不得超过N毫秒,这几乎已经是实时Java(RTSJ)的垃圾收集器的特征了。

使用G1收集器时,Java堆的内存布局与其他收集器有很大差别,它将整个Java堆划分为多 个大小相等的独立区域(Region),虽然还保留有新生代和老年代的概念,但新生代和老年 代不再是物理隔阂了,它们都是一部分(可以不连续)Region的集合。

G1的新生代收集跟 ParNew类似,当新生代占用达到一定比例的时候,开始出发收集。和 CMS类似,G1收集器收集老年代对象会有短暂停顿。

总结

本文讲解了 JVM 中有关垃圾回收的相关知识点,其中介绍了使用可达性分析来判断 对象是否可以被回收,以及垃圾回收算法。

垃圾回收机制很多时候都是影响系统性能、并发能力的主要因素之一。尤其是对于 Android 开发的工程师来说,有时候垃圾回收会很大程度上影响 UI 线程,并造成界面卡顿现象。因此理解垃圾回收机制并学会分析 GC Log 也是一项必不可少的技能。

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