JVM笔记 | Java垃圾回收（GC）

概述

在JVM的运行时数据区中，程序计数器、JVM栈和本地方法栈随线程而生，随线程而灭，内存分配和回收具备确定性，因此这几个区域不需要过多考虑内存回收问题，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Java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，只有在程序处于运行期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，垃圾收集器所关心的是这部分内存。

对象存活判定算法

在堆中存放着Java世界中几乎所有的对象实例，垃圾收集器在对堆进行回收前，第一件事情就是要确定这些对象中哪些还“存活”着，那些已经“死去”（即不可能再被任何途径使用的对象）

1. 引用的概念

在JDK1.2之后，Java对引用的概念进行了扩充，将引用分为强引用、软引用、弱引用和虚引用四种，这四种引用强度依次减弱。

• 强引用（Strong Reference）
  • 指创建一个对象并把这个对象赋值给一个引用变量
    Object obj = new Object();
  • 只要强引用存在，即使抛出OutOfMemoryError异常，垃圾收集器也不会回收被引用的对象。
• 软引用（Soft Referrence）
  • 用来描述一些还有用但非必须的对象。
  • 对于软引用关联的对象，在内存不足时会被回收。
• 弱引用（Weak Reference）
  • 用来描述非必须对象，但强度比软引用更弱。
  • 无论当前内存是否足够，都会被回收。
• 虚引用（Phantom Reference）
  • 不影响对象生存时间，也无法通过虚引用取得对象实例。
  • 存在意义在于与引用队列关联使用，判断被虚引用关联的对象是否即将被回收。

推荐阅读：Java的四种引用方式

2. 引用计数算法

• 实现方式：给对象中添加一个引用计数器，每当有一个地方去引用它，计数器值就加1；当引用失效时，计数器值就减1；任何时刻计数器值为0的对象就是不可能再被使用的。
• 这种算法实现简单、判定效率高，但是很难解决对象之间相互循环引用的问题。
• 虚拟机不是通过引用计数算法来判断对象是否存活。

3. 可达性分析算法

• 实现方式：通过一系列称为“GC Roots”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（Reference Chain），当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连时，证明此对象是不可引用的。
  
• 在Java中，可作为GC Roots的对象包括以下几种：
  • JVM栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象；
  • 方法区中类的静态属性引用的对象；
  • 方法区中常量引用的对象；
  • 本地方法栈中JNI（即常说的Native方法）引用的对象。
• 当然，可达性分析算法中不可达的对象并不是一定会被回收，如果这个对象在执行finalize()方法时，重新与引用链上的对象关联起来，就会被移除出“即将回收”集合。

4. 方法区回收

• JVM规范中说过可以不要求JVM在方法区实现垃圾回收，方法区的垃圾回收效率十分低。
• 方法区的垃圾回收主要回收两部分内容：
  • 废弃常量的回收与Java堆中对象的回收十分类似，即没有被任何其他地方引用就会被回收。
  • 满足以下条件会被判定为无用的类
    • 该类所有的实例都已经被回收，即Java堆中不存在该类的任何实例；
    • 加载该类的 ClassLoader 已经被回收；
    • 该类对应的 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。

垃圾收集算法

首先可以先看看下面这篇博客，了解一下新生代和老年代的概念：新生代和老年代
接下来介绍几种垃圾收集算法。

1. 复制算法

• 算法思想：将可用内存按容量划分为大小相等的两块，每次只使用其中给一块，当这一块的内存用完了，就将还存活的对象复制到另一块，再将已使用的一块内存全部清理掉。
• 优点：每次都对整个半区进行回收，不会产生内存碎片，实现简单，运行高效。

• 缺点：相当于将可用内存缩小为一半，使用率太低。
  

2. 标记—清除算法

• 算法思想：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。
• 不足：
  • 标记和清除两个过程的效率都不高；

  • 标记清除后会产生大量不连续的内存碎片，造成后面无法为较大对象分配空间，频繁触发垃圾收集，影响系统性能。
    

3. 标记—整理算法

• 算法思想：首先标记出所有需要回收的对象，然后将所有存活的对象移动到一端，然后直接清理端边界以外的全部内存。

• 优点：可以应对大量对象存活，只有少量内存需要回收的情况，适合老年代使用。
  

4. 分代收集算法

• 这种算法被当代虚拟机广泛使用。
• 算法思想：根据对象存活周期将Java堆分为新生代和老年代，分别使用合适的算法进行垃圾收集。
  • 新生代对象存活率低，使用复制算法，只需付出少量存活对象的复制成本就可以完成收集。

  IBM公司的专门研究表明，新生代中的对象98%是“朝生夕死”，所以可以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空间。回收时，将这两块空间中存活的对象复制到另一块Survivor空间中，最后清理掉Eden和Survivor空间。这样空间使用率就达到了90%。当然我们不能保证每次都只有不多于10%的对象存活，这时就需要依赖老年代空间进行分配担保，即让survivor空间存放不下的对象通过分配担保机制进入老年代。

  • 老年代对象存活率高，使用标记—清理算法或者标记—整理算法。

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