垃圾回收與記憶體分配——總結篇

boardMan發表於2020-07-07
記憶體

垃圾回收與記憶體分配

一些基礎

  • 物件的四種引用型別

    • 強引用，記憶體不足時報錯oom，但不會該類物件
    • 弱引用，當記憶體不足時才會回收
    • 軟引用，不管記憶體是否充足，在gc都會回收
    • 虛引用，任何時候都可以被回收

  • 怎麼判斷物件是否仍在使用？

    • 引用計數法
      每個物件有一個引用計數屬性，當被引用時計數+1，當引用釋放時-1。兩個物件互相迴圈使用時會導致物件無法回收
    • 可達性分析——Java預設
      若從GC Roots向下搜尋時，走過的路徑稱為引用鏈。當物件沒有任何引用鏈時代表已不可用。

  • 可作為GC Roots的物件有哪幾類？

    • 虛擬機器棧中引用的物件
    • 方法區類靜態屬性引用的物件
    • 方法區常量引用的物件
    • 本地方法中引用的物件

  • 方法區回收的必要條件

    主要回收兩部分內容：廢棄的常量和不再使用的型別。價效比很低

    • 該類所有例項都已被回收
    • 該類對應的類載入器已被回收（很難）
    • 無法通過反射訪問該類（該類對應的java.lang,Class沒有被引用）

  • 安全點和安全區域

    HotSpot沒有為每一條指令生成OopMap，只在“特定位置”記錄了這些資訊（OopMap可理解成附加資訊，對棧內的資料進行說明），這些位置稱為安全點，執行緒在安全點可以被確定，從而確定GC Roots資訊。

    • 安全點特定位置

      1. 迴圈的末尾
      2. 方法返回前
      3. 呼叫方法的Call之後
      4. 丟擲異常的位置

    • 安全區域

    安全區域是指一段程式碼片中，引用關係不會發生變化，在這個區域任何地方 GC 都是安全的，安全區域可以看做是安全點的一個擴充套件

    • 執行緒中斷的方式
    1. 主動式：不對執行緒操作，簡單的設定一個標記位，執行緒不斷主動輪詢這個標誌位狀態，為真時，執行緒在最近的安全點掛起
    2. 被動式：系統直接把所有執行緒中斷，如發現有的執行緒不在安全點時，就恢復執行到最近的安全點（不採用）

  • 併發情況下的可達性變動解決演算法（G1和cms）

    • 增量空間演算法——CMS
      當出現新的引用物件時，則記錄下該物件，待掃描結束後再以此為根重新掃描一次
    • 原始快照演算法——G1
      當出現刪除引用時，將要刪除的引用記錄下來，待掃描結束後再將該物件為根重新掃描

垃圾回收演算法

  • 標記-清除演算法
    標記需要回收的物件或不需要回收的物件，再統一清除。
    缺點：

    1. 效率不穩定，無論標記還是清除，效率都會隨著物件增多而降低
    2. 記憶體空間碎片化

  • 標記-複製演算法
    把記憶體空間分為兩塊，每次只使用其中一塊，當該塊記憶體不足後，把存活的物件複製到另一塊，再把原空間一次性清除。
    優點：沒有記憶體碎片。
    缺點：記憶體空間利用率低；當存活物件較多時，效率變低

  • 標記-整理演算法
    標記完成後，將存活的物件向一端移動，清除邊界以外的內容
    優點：記憶體規整，物件賦值/建立速度快
    缺點：標記、清理效率不高

  • 分代收集

    分代收集是將物件按照存活時間進行分代（新生代和老年代），根據不同區域的特點結合前三種演算法進行收集

    • 新生代，每次垃圾收集都有大量物件死去，選用標記-複製演算法

      新生代複製演算法的改進：許多新生代的物件存活時間較短，不需要按照1:1的比例進行復制演算法記憶體分配，可將記憶體分為較大的Eden區和兩塊較小的Survivor，回收時將Eden 和 Survivor 中還存活著的物件一次性地複製到另外一塊 Survivor 空間上，最後清理掉 Eden 和剛才用過的 Survivor 空間

    • 老年代，物件存活率較高，沒有其餘區域可以進行分配擔保，使用標記-清除、標記-整理演算法

垃圾回收器

  • 新生代

    • Serial
      序列，標記複製演算法。客戶端預設新生代收集器
    • ParNew
      並行，標記複製演算法；只有ParNew和serial可以配合CMS使用
    • Parallel Scavenge
      並行，標記複製演算法；吞吐量優先收集器，可控制吞吐量（使用者程式碼執行時間/總時間）
      1. 最大垃圾收集停頓時間引數[絕對值]
      2. 垃圾回收時間佔總時間比率引數[相對值]
      3. 自適應調節空間引數[布林值]，開啟後可自動調節Eden、Survivor區域大小

  • 老年代

    • Serial Old
      標記整理演算法，主要供客戶端模式，若用於服務端：與Parallel Scavenge搭配使用；或者作為CMS發生失敗後的與預案
    • Parallel Old
      標記整理演算法，Parallel Scavenge的老年版
    • CMS

  • CMS

    響應時間優先，標記清除演算法。多用於B/S架構的服務端上

    • 四個步驟：
      1. 初始標記：STW，只標記GC Roots直接關聯到的物件
      2. 併發標記：與使用者執行緒一起遍歷整個物件圖
      3. 重新標記：STW，修整併發標記期間，因使用者執行緒導致引用變化的部分（增量更新演算法實現）
      4. 併發清除：與使用者執行緒並行，清除已死亡的物件
    • 三個缺點：
      1. 對處理器資源敏感，預設啟動執行緒數（處理器核心數+3）/4
      2. 產生浮動垃圾。併發標記和清除階段會與使用者執行緒一起執行，所以需要預留一部分空間供使用者執行緒使用，當空間不足時，會臨時啟用預案：使用serial old進行標記整理
      3. 標記清除演算法導致記憶體碎片。大物件不夠分配時，觸發full gc耗時。可設定引數，多次清楚後，在下一次full gc前進行一次整理

  • G1

    面向整個堆空間的Region佈局形式，每個Region都可以扮演Eden、Survivor或老年代空間。允許設定收集停頓時間

    • 四個步驟：
    1. 初始標記：在minor gc階段只標記gc Roots引用的物件，所以不存在停頓
    2. 併發標記：與使用者執行緒併發執行，標記完成後處理SATB（原始快照演算法）記錄在併發時有變動的物件
    3. 最終標記：STW（短暫），處理併發結束後仍遺留的少量SATB記錄
    4. 篩選回收：STW，對各Region的回收價值與成本進行排序，根據期望停頓時間指定回收計劃。將存活物件複製到空閒Region後，清除原Region

常見問題

  • finalize() 方法什麼時候被呼叫？它的目的是什麼？
    物件被釋放前被垃圾回收器呼叫，目的是釋放該物件所持有的資源（對外記憶體、長連線等），且該方法只會被呼叫一次。（不建議使用）
  • 為什麼要有不同的引用型別？
    由於gc回收時機不可控，且有時候需要適當的控制物件被回收的時機。比如新建 Person類，每次查詢資訊都需要重新構建例項，物件生命週期過短，引起巨大的消耗。聽過軟引用和HashMap的結合可以構建快取記憶體，提升效能。

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