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Java垃圾回收机制详解,一篇让你清晰思路 [复制链接]

2017-6-12 10:02
Torr 阅读:1089 评论:3 赞:2
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垃圾回收机制是 Java 非常重要的特性之一,也是面试题的常客。它让开发者无需关注空间的创建和释放,而是以守护进程的形式在后台自动回收垃圾。这样做不仅提高了开发效率,更改善了内存的使用状况。

今天本文来对垃圾回收机制进行讲解,主要涉及下面几个问题:

  • 什么是堆内存?

  • 什么是垃圾?

  • 有哪些方法回收这些垃圾?

  • 什么是分代回收机制?

什么是 Java 堆内存

堆是在 JVM 启动时创建的,主要用来维护运行时数据,如运行过程中创建的对象和数组都是基于这块内存空间。Java 堆是非常重要的元素,如果我们动态创建的对象没有得到及时回收,持续堆积,最后会导致堆空间被占满,内存溢出。

因此,Java 提供了一种垃圾回收机制,在后台创建一个守护进程。该进程会在内存紧张的时候自动跳出来,把堆空间的垃圾全部进行回收,从而保证程序的正常运行。

那什么是垃圾呢?

所谓“垃圾”,就是指所有不再存活的对象。常见的判断是否存活有两种方法:引用计数法和可达性分析。

引用计数法

为每一个创建的对象分配一个引用计数器,用来存储该对象被引用的个数。当该个数为零,意味着没有人再使用这个对象,可以认为“对象死亡”。但是,这种方案存在严重的问题,就是无法检测“循环引用”:当两个对象互相引用,即时它俩都不被外界任何东西引用,它俩的计数都不为零,因此永远不会被回收。而实际上对于开发者而言,这两个对象已经完全没有用处了。

因此,Java 里没有采用这样的方案来判定对象的“存活性”。

可达性分析

这种方案是目前主流语言里采用的对象存活性判断方案。基本思路是把所有引用的对象想象成一棵树,从树的根结点 GC Roots 出发,持续遍历找出所有连接的树枝对象,这些对象则被称为“可达”对象,或称“存活”对象。其余的对象则被视为“死亡”的“不可达”对象,或称“垃圾”。

参考下图,object5,object6和object7便是不可达对象,视为“死亡状态”,应该被垃圾回收器回收。

Java垃圾回收机制详解

GC Roots 究竟指谁呢?

我们可以猜测,GC Roots 本身一定是可达的,这样从它们出发遍历到的对象才能保证一定可达。那么,Java 里有哪些对象是一定可达呢?主要有以下四种:

  • 虚拟机栈(帧栈中的本地变量表)中引用的对象。

  • 方法区中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引用的对象。

不少读者可能对这些 GC Roots 似懂非懂,这涉及到 JVM 本身的内存结构等等,未来的文章会再做深入讲解。这里只要知道有这么几种类型的 GC Roots,每次垃圾回收器会从这些根结点开始遍历寻找所有可达节点。

有哪些方式来回收这些垃圾呢?

上面已经知道,所有GC Roots不可达的对象都称为垃圾,参考下图,黑色的表示垃圾,灰色表示存活对象,绿色表示空白空间。

Java垃圾回收机制详解

那么,我们如何来回收这些垃圾呢?

标记-清理

第一步,所谓“标记”就是利用可达性遍历堆内存,把“存活”对象和“垃圾”对象进行标记,得到的结果如上图;

第二步,既然“垃圾”已经标记好了,那我们再遍历一遍,把所有“垃圾”对象所占的空间直接清空即可。

结果如下:

Java垃圾回收机制详解

这便是标记-清理方案,简单方便,但是容易产生内存碎片。

标记-整理

既然上面的方法会产生内存碎片,那好,我在清理的时候,把所有存活对象扎堆到同一个地方,让它们待在一起,这样就没有内存碎片了。

结果如下:

Java垃圾回收机制详解

这两种方案适合存活对象多,垃圾少的情况,它只需要清理掉少量的垃圾,然后挪动下存活对象就可以了。

复制

这种方法比较粗暴,直接把堆内存分成两部分,一段时间内只允许在其中一块内存上进行分配,当这块内存被分配完后,则执行垃圾回收,把所有存活对象全部复制到另一块内存上,当前内存则直接全部清空。

参考下图:

Java垃圾回收机制详解

起初时只使用上面部分的内存,直到内存使用完毕,才进行垃圾回收,把所有存活对象搬到下半部分,并把上半部分进行清空。

这种做法不容易产生碎片,也简单粗暴;但是,它意味着你在一段时间内只能使用一部分的内存,超过这部分内存的话就意味着堆内存里频繁的复制清空。

这种方案适合存活对象少,垃圾多的情况,这样在复制时就不需要复制多少对象过去,多数垃圾直接被清空处理。

Java 的分代回收机制

上面我们看到有至少三种方法来回收内存,那么 Java 里是如何选择利用这三种回收算法呢?是只用一种还是三种都用呢?

Java 的堆结构

在选择回收算法前,我们先来看一下 Java 堆的结构。

一块 Java 堆空间一般分成三部分,这三部分用来存储三类数据:

  • 刚刚创建的对象。在代码运行时会持续不断地创造新的对象,这些新创建的对象会被统一放在一起。因为有很多局部变量等在新创建后很快会变成不可达的对象,快速死去,因此这块区域的特点是存活对象少,垃圾多。形象点描述这块区域为:新生代;

  • 存活了一段时间的对象。这些对象早早就被创建了,而且一直活了下来。我们把这些存活时间较长的对象放在一起,它们的特点是存活对象多,垃圾少。形象点描述这块区域为:老年代;

  • 永久存在的对象。比如一些静态文件,这些对象的特点是不需要垃圾回收,永远存活。形象点描述这块区域为:永久代。(不过在 Java 8 里已经把永久代删除了,把这块内存空间给了元空间,后续文章再讲解。)

也就是说,常规的 Java 堆至少包括了 新生代 和 老年代 两块内存区域,而且这两块区域有很明显的特征:

  • 新生代:存活对象少、垃圾多

  • 老年代:存活对象多、垃圾少

结合新生代/老年代的存活对象特点和之前提过的几种垃圾回收算法,可以得到如下的回收方案:

新生代-复制回收机制

对于新生代区域,由于每次 GC 都会有大量新对象死去,只有少量存活。因此采用复制回收算法,GC 时把少量的存活对象复制过去即可。

那么如何设计这个复制算法比较好呢?有以下几种方式:

思路1. 把内存均分成 1:1 两等份

如下图拆分内存。

Java垃圾回收机制详解

每次只使用一半的内存,当这一半满了后,就进行垃圾回收,把存活的对象直接复制到另一半内存,并清空当前一半的内存。

这种分法的缺陷是相当于只有一半的可用内存,对于新生代而言,新对象持续不断地被创建,如果只有一半可用内存,那显然要持续不断地进行垃圾回收工作,反而影响到了正常程序的运行,得不偿失。

思路2. 把内存按 9:1 分

既然上面的分法导致可用内存只剩一半,那么我做些调整,把 1:1变成9:1,

Java垃圾回收机制详解

最开始在 9 的内存区使用,当 9 快要满时,执行复制回收,把 9 内仍然存活的对象复制到 1 区,并清空 9区。

这样看起来是比上面的方法好了,但是它存在比较严重的问题。

当我们把 9 区存活对象复制到 1 区时,由于内存空间比例相差比较大,所以很有可能 1 区放不满,此时就不得不把对象移到 老年区。而这就意味着,可能会有一部分 并不老 的 9 区对象由于 1 区放不下了而被放到了 老年区,可想而知,这破坏了 老年区 的规则。或者说,一定程度上的 老年区 并不一定全是 老年对象。

那应该如何才能把真正比较 老 的对象挪到 老年区 呢?

思路3. 把内存按 8:1:1 分

Java垃圾回收机制详解

既然 9:1 有可能把年轻对象放到 老年区,那就换成 8:1:1,依次取名为 Eden、Survivor A、Survivor B区,其中Eden意为伊甸园,形容有很多新生对象在里面创建;Survivor区则为幸存者,即经历 GC 后仍然存活下来的对象。

工作原理如下:

  1. 首先,Eden区最大,对外提供堆内存。当 Eden 区快要满了,则进行 Minor GC,把存活对象放入Survivor A区,清空 Eden 区;

  2. Eden区被清空后,继续对外提供堆内存;

  3. 当Eden区再次被填满,此时对Eden区和Survivor A区同时进行 Minor GC,把存活对象放入Survivor B区,同时清空Eden 区和Survivor A区;

  4. Eden区继续对外提供堆内存,并重复上述过程,即在Eden区填满后,把Eden区和某个Survivor区的存活对象放到另一个Survivor区;

  5. 当某个Survivor区被填满,且仍有对象未被复制完毕时,或者某些对象在反复Survive 15 次左右时,则把这部分剩余对象放到Old区;

  6. 当 Old 区也被填满时,进行 Major GC,对 Old 区进行垃圾回收。

[注意,在真实的 JVM 环境里,可以通过参数 SurvivorRatio 手动配置Eden区和单个Survivor区的比例,默认为8。]

那么,所谓的 Old 区垃圾回收,或称Major GC,应该如何执行呢?

老年代-标记整理回收机制

根据上面我们知道,老年代一般存放的是存活时间较久的对象,所以每一次 GC 时,存活对象比较较大,也就是说每次只有少部分对象被回收。

因此,根据不同回收机制的特点,这里选择存活对象多,垃圾少的标记整理回收机制,仅仅通过少量地移动对象就能清理垃圾,而且不存在内存碎片化。

至此,我们已经了解了 Java 堆内存的分代原理,并了解了不同代根据各自特点采用了不同的回收机制,即新生代采用回收机制,老年代采用标记整理机制。

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所有评论(3)
望月慕慕 2017-6-12 15:55
看不懂。。。。
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^.^ 2017-6-12 17:54
好文章,但是在安卓只调用GC过
回复
Saerben 2017-6-16 10:36
讲的不错
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