Java虛擬機器 —— 垃圾回收機制

xiaoyanger發表於2017-09-22
Java虛擬機

在Java虛擬機器中，物件和陣列的記憶體都是在堆中分配的，垃圾收集器主要回收的記憶體就是在堆記憶體中。如果在Java程式執行過程中，動態建立的物件或者陣列沒有及時得到回收，持續積累，最終堆記憶體就會被佔滿，導致OOM。

JVM提供了一種垃圾回收機制，簡稱GC機制。通過GC機制，能夠在執行過程中將堆中的垃圾物件不斷回收，從而保證程式的正常執行。

垃圾物件的判定

我們都知道，所謂“垃圾”物件，就是指我們在程式的執行過程中不再有用的物件，即不再存活的物件。那麼怎麼來判斷堆中的物件是“垃圾”、不再存活的物件呢？

引用計數法

每個物件都有一個引用計數的屬性，用來儲存該物件被引用的次數。當引用次數為0時，就意味著該物件沒有被引用了，也就不會在使用這個物件了，可以判定為垃圾物件。但是，這種方式有一個很大的Bug，就是無法解決物件間相互引用或者迴圈引用的問題：當兩個物件相互引用，他們兩個和其他任何物件也沒有引用關係，它倆的引用次數都不為0，因此不會被回收，但實際上這兩個物件已經不再有用了。

可達性分析（根搜尋法）

為了避免使用引用計數法帶來的問題，Java採用了可達性分析法來判斷垃圾物件。

這種方式可以將所有物件的引用關係想象成一棵樹，從樹的根節點GC Root遍歷所有引用的物件，樹的節點就為可達物件，其他沒有處於節點的物件則為不可達物件。

Java虛擬機器 —— 垃圾回收機制
那麼什麼樣的物件可以作為GC的根節點呢？

  • 虛擬機器棧（幀棧中的本地變數表）中引用的物件
  • 方法區中靜態屬性引用的物件
  • 方法區中常量引用的物件
  • 本地方法棧中JNI引用的物件

引用狀態

垃圾回收機制，不管採用是引用計數法，還是可達性分析法，都與物件的引用有關，Java中存在四種引用狀態：

  • 強引用 - 我們使用的大部分引用實際上都是強引用，這是使用最普遍的引用。如果一個物件具有強引用，就表示它處於可達狀態，垃圾回收器絕不會回收它，即便系統記憶體非常緊張，Java虛擬機器寧願丟擲OutOfMemoryError錯誤，使程式異常終止，也不會回收被強引用所引用的物件。因此，強引用是造成Java記憶體洩露的主要原因之一。

  • 軟引用 - 一個物件只具有軟引用，如果記憶體空間足夠，垃圾回收器就不會回收它，如果記憶體空間不足了，就會回收這些物件的記憶體。只要垃圾回收器沒有回收它，該物件就可以被程式使用。

  • 弱引用 - 一個物件只具有弱引用，那就類似於是可有可無的。弱引用和軟引用很像，但弱引用的引用級別更低。弱引用與軟引用的區別在於：只具有弱引用的物件擁有更短暫的生命週期。在垃圾回收器執行緒掃描它所管轄的記憶體區域的過程中，一旦發現了只具有弱引用的物件，不管當前記憶體空間足夠與否，都會回收它的記憶體。

  • 虛引用 - 一個物件僅持有虛引用，那麼它就和沒有任何引用一樣，在任何時候都可能被垃圾回收器回收。虛引用主要用來跟蹤物件被垃圾回收的活動，我們平常一般不會使用。

垃圾回收演算法

通過可達性分析演算法能夠判定哪些物件是需要回收的了，那麼回收具體需要怎樣去執行呢？

標記-清除演算法

首先需要標記可以回收的物件記憶體，然後在對回收的記憶體進行清除。

標記-清除演算法（回收前）
標記-清除演算法（回收後）
但是這樣的話，隨著程式的執行，會不斷分配釋放記憶體，在堆中會產生很多的不連續的空閒記憶體區，即記憶體碎片。這樣即使有足夠多的空閒記憶體，也不一定能分配出足夠大的記憶體，並且可能會造成頻繁的GC，影響效率，甚至OOM。

標記-整理演算法

和標記-清除演算法不同的是，標記-整理演算法在標記後不直接清理可回收記憶體，而是將存活物件都移動到一端，然後清除掉可回收記憶體。

標記-整理演算法（回收前）
標記-整理演算法（回收後）
這樣做的好處就是不會產生記憶體碎片。

複製演算法

複製演算法需要先將記憶體分為兩塊，先在其中一塊記憶體上分配記憶體，當這塊記憶體被分配完後，則執行垃圾回收，然後把存活物件全部複製到另一塊記憶體上，第一塊記憶體則全部清空。

複製演算法（回收前）
複製演算法（回收後）
這種演算法不會產生記憶體碎片，但是相當於只能使用一半的記憶體空間。同時，複製演算法和存活物件的數量有關，如果存活物件的數量多，那麼複製演算法的效率會大大降低。

分代收集演算法

在Java虛擬機器中，物件的生命週期有長有短，大部分物件的生命週期很短，只有少部分的物件才會在記憶體中存留較長時間，因此可以依據物件生命週期的長短將它們放在不同的區域。在採用分代收集演算法的Java虛擬機器堆中，一般分為三個區域，用來分別儲存這三類物件：

  • 新生代 - 剛建立的物件，在程式碼執行時一般都會持續不斷地建立新的物件，這些新建立的物件有很多是區域性變數，很快就會變成垃圾物件。這些物件被放在一塊稱為新生代的記憶體區域。新生代的特點是垃圾物件多，存活物件少。

  • 老年代 - 一些物件很早被建立了，經歷了多次GC也沒有被回收，而是一直存活下來。這些物件被放在一塊稱為老年代的區域。老年代的特點是存活物件多，垃圾物件少。

  • 永久代 - 一些伴隨虛擬機器生命週期永久存在的物件，比如一些靜態物件，常量等。這些物件被放在一塊稱為永久代的區域。永久代的特點是這些物件一般不需要垃圾回收，會在虛擬機器執行過程中一直存活。（在Java1.7之前，方法區中儲存的是永久代物件，Java1.7方法區的永久代物件移到了堆中，而在Java1.8永久代已經從堆中移除了，這塊記憶體給了元空間。）

分代收集演算法也就根據新生代和老年代來進行垃圾回收的。

對於新生代區域，每次GC都會有很多垃圾物件被回收，只有少量存活。因此採用複製回收演算法，GC時把剩餘很少的存活物件複製過去即可。

在新生代區域中，並不是按照1:1的比例來進行復制回收，而是按照8:1:1的比例分為了Eden、SurvivorA、SurvivorB三個區域。其中Eden意為伊甸園，形容有很多新生物件在裡面建立；Survivor區則為倖存者，即經歷GC後仍然存活下來的物件。

  1. Eden區對外提供堆記憶體。當Eden區快要滿了，則進行Minor GC(新生代GC)，把存活物件放入SurvivorA區，清空Eden區；
  2. Eden區被清空後，繼續對外提供堆記憶體；
  3. 當Eden區再次被填滿，此時對Eden區和SurvivorA區同時進行Minor GC(新生代GC)，把存活物件放入SurvivorB區，此時同時清空Eden區和SurvivorA區；
  4. Eden區繼續對外提供堆記憶體，並重覆上述過程，即在 Eden 區填滿後，把Eden區和某個Survivor區的存活物件放到另一個Survivor區；
  5. 當某個Survivor區被填滿，且仍有物件未被複制完畢時，或者某些物件在反覆Survive 15次左右時，則把這部分剩餘物件放到老年代區域；當老年區也被填滿時，進行Major GC（老年代GC），對老年代區域進行垃圾回收。

老年代區域物件一般存活週期較長，每次GC時，存活的物件比較多，因此採用標記-整理演算法，GC時移動少量存活物件，不會產生記憶體碎片。

觸發GC的型別

Java虛擬機器會把每次觸發GC的資訊列印出來，可以根據日誌來分析觸發GC的原因。

  • GC_FOR_MALLOC：表示是在堆上分配物件時記憶體不足觸發的GC。
  • GC_CONCURRENT：當我們應用程式的堆記憶體達到一定量，或者可以理解為快要滿的時候，系統會自動觸發GC操作來釋放記憶體。
  • GC_EXPLICIT：表示是應用程式呼叫System.gc、VMRuntime.gc介面或者收到SIGUSR1訊號時觸發的GC。
  • GC_BEFORE_OOM：表示是在準備拋OOM異常之前進行的最後努力而觸發的GC。

參考：

Java記憶體回收機制--Java引用的種類（強引用、弱引用、軟引用、虛引用） 理解Java垃圾回收機制 Java 技術之垃圾回收機制

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