JVM内存结构--垃圾回收相关概念

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一、什么是垃圾

  • 垃圾是指在运行程序中没有任何指针指向的对象，这个对象就是需要被回收的垃圾。
  • 如果不及时对内存中的垃圾进行清理，这些垃圾对象所占的内存空间会一直保留到应用程序结束，被保留的空间无法被其他对象使用。甚至可能导致内存溢出。

二、为什么需要GC

  • 对于高级语言来说，一个基本认知是如果不进行垃圾回收，内存迟早都会被消耗完

  • 除了释放没用的对象，垃圾回收也可以清除内存里的记录碎片。碎片整理将所占用的堆内存移到堆的一端，以便JVM将整理出的内存分配给新的对象。

  • 随着应用程序所应付的业务越来越庞大、复杂，用户越来越多，没有GC就不能保证应用程序的正常进行。而经常造成STW的GC又跟不上实际的需求，所以才会不断地尝试对GC进行优化。

三、Java垃圾回收机制

  • 自动内存管理，无需开发人员手动参与内存的分配与回收，这样降低内存泄漏和内存溢出的风险
  • 没有垃圾回收器，java也会和cpp- 样，各种悬垂指针，野指针，泄露问题已。
  • 自动内存管理机制，将程序员从繁重的内存管理中释放出来，可以更专心地专注于业务开发

四、回收频率

  • Java堆是垃圾收集器的工作重点。
  • 垃圾回收器可以对年轻代回收，也可以对老年代回收，甚至是全堆和方法区的回收。
  • 从次数上讲:
    • 频繁收集新生区
    • 较少收集老年区
    • 基本不动方法区

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五、System.gc()的理解

  • 在默认情况下，通过System.gc()实则是调用Runtime.getRuntime().gc()，会显式触发Full GC， 同时对老年代和新生代进行回收，尝试释放被丢弃对象占用的内存。

  • 然而System.gc()调用附带一个免责声明，无法保证对垃圾收集器的调用。

  • JVM实现者可以通过System.gc()调用来决定JVM的GC行为。而-一般情况下，垃圾回收应该是自动进行的，无须手动触发，否则就太过于麻烦了。在一些特殊情况下，如我们正在编写一个性能基准，我们可以在运行之间调用System.gc()。

六、Stop The World

Stop-the-World，简称STW，指的是GC事件发生过程中，会产生应用程序的停顿。停顿产生时整个应用程序线程都会被暂停，没有任何响应，有点像卡死的感觉，这个停顿称为STW。

  • 可达性分析算法中枚举根节点(GC Roots)会导致所有Java执行线程停顿。

    • 分析工作必须在一个能确保一致性的快照中进行
    • 一致性指整个分析期间整个执行系统看起来像被冻结在某个时间点上
    • 如果出现分析过程中对象引用关系还在不断变化，则分析结果的准确性无法保证

  • 被STW中断的应用程序线程会在完成GC之后恢复，频繁中断会让用户感觉像是网速不快造成电影卡带一样，所以我们需要减少STW的发生。

  • STW事件和采用哪款GC无关，所有的GC都有这个事件。

  • 哪怕是G1也不能完全避免Stop-the-world 情况发生，只能说垃圾回收器越来越优秀，回收效率越来越高，尽可能地缩短了暂停时间。

  • STW是JVM在后台自动发起和自动完成的。在用户不可见的情况下，把用户正常的工作线程全部停掉。

  • 开发中不要用System.gc(),会导致Stop-the-world的发生。

七、安全点与安全区域

1、安全点

  • 程序执行时并非在所有地方都能停顿下来开始GC，只有在特定的位置才能停顿下来开始GC，这些位置称为“安全点(Safepoint)”

  • Safe Point的选择很重要，如果太少可能导致GC等待的时间太长，如果太频繁可能导致运行时的性能问题。大部分指令的执行时间都非常短暂,通常会根据“是否具有让程序长时间执行的特征”为标准。比如:选择一些执行时间较长的指令作为SafePoint，如方法调用、循环跳转和异常跳转等。

如何在GC发生时，检查所有线程都跑到最近的安全点停顿下来呢?

  • 抢先式中断:(目前没有虚拟机采用了)首先中断所有线程。如果还有线程不在安全点，就恢复线程，让线程跑到安全点。
  • 主动式中断:设置一个中断标志，各个线程运行到Safe Point的时候主动轮询这个标志，如果中断标志为真，则将自己进行中断挂起。

2、安全区域

Safepoint机制保证了程序执行时，在不太长的时间内就会遇到可进入GC的Safepoint 。但是，程序“不执行”的时候呢?

例如线程处于Sleep状态或Blocked状态，这时候线程无法响应JVM的中断请求，“走” 到安全点去中断挂起，JVM也不太可能等待线程被唤醒。对于这种情况，就需要安全区域(Safe Region)来解决。

  • 安全区域是指在一段代码片段中，对象的引用关系不会发生变化，在这个区域中的任何位置开始GC都是安全的。我们也可以把Safe Region 看做是被扩展了的Safepoint。
  • 当线程运行到Safe Region的代码时，首先标识已经进入了Safe Region,如果这段时间内发生GC，JVM会忽略标识为Safe Region状态的线程;
  • 当线程即将离开Safe Region时，会检查JVM是否已经完成GC，如果完成了，则继续运行，否则线程必须等待直到收到可以安全离开SafeRegion的信号为止;

八、引用

在JDK 1.2版之后，Java对引用的概念进行了扩充，将引用分为强引用 (Strong Reference)、软引用(Soft Reference) 、弱引用(Weak Reference) 和虚引用(Phantom Reference) 4种，这4种引用强度依次逐渐减弱。

除强引用外，其他3种引用均可以在java.lang.ref包中找到它们的身影。如下图，显示了这3种引用类型对应的类，开发人员可以在应用程序中直接使用它们。

image.png

Reference子类中只有终结器引用是包内可见的，其他3种引用类型均为public,可以在应用程序中直接使用。

  • 强引用(StrongReference) ：最传统的“引用”的定义，是指在程序代码之中普遍存在的引用赋值，即类似“0bject obj=new object()"这种引用关系。无论任何情况下，只要强引用关系还存在，垃圾收集器就永远不会回收掉被引用的对象。

  • 软引用(SoftReference) :在系统将要发生内存溢出之前，将会把这些对象列入回收范围之中进行第二次回收。如果这次回收后还没有足够的内存，才会抛出内存溢出异常。

  • 弱引用(WeakReference) :被弱引用关联的对象只能生存到下一次垃圾收集之前。当垃圾收集器工作时，无论内存空间是否足够，都会回收掉被弱引用关联的对象。

  • 虚引用(PhantomReference) :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，也无法通过虚引用来获得一个对象的实例。为一个对象设置虛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。

弱引用对象与软引用对象的最大不同就在于，当GC在进行回收时，需要通过算法检查是否回收软引用对象，而对于弱引用对象，GC总是进行回收。弱引用对象更容易、更快被GC回收。

参考博客：

本篇内容主要来自于深入理解JVM（十一）一一 垃圾回收相关概念

尚硅谷宋红康JVM全套教程（详解java虚拟机）

--个人学习笔记

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