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jvm入门及理解(六)——垃圾回收与算法

开发技术 开发技术 1周前 (06-25) 17次浏览

一、jvm垃圾回收要做的事情

  • 哪些内存需要回收
  • 什么时候回收
  • 怎么回收

二、如何判断对象已经死亡,或者说确定为垃圾

  1. 引用计数法:

    给对象中添加一个引用计数器,每当有一个地方引用它时,计数器的值就加1;当引用失效时,计数器值就减1;任何时刻计数器为0的对象就是不可能再被使用的。这也就是需要回收的对象,简单地说,即一个对象如果没有任何与之关联的引用,即他们的引用计数都为 0,则说明对象不太可能再被用到,那么这个对象就是可回收的对象。

    引用计数法是对象记录自己被多少程序引用,引用计数为零的对象将被清除。

    计数器表示的是有多少程序引用了这个对象(被引用数)。计数器是无符号的整数。

  2. 根搜索算法

    通过一系列成为GC roots的点作为起点,向下搜索,当一个对象到任何GC Roots时没有引用链相连,则说明对象已经死亡。

    如果在GC roots和一个对象之间没有可达路径(引用链),则称该对象是不可达的。要注意的是,不可达对象不等价于可回收对象,不可达对象变为可回收对象至少要经过两次标记 过程。两次标记后仍然是可回收对象,则将面临回收。

    jvm会将以下的对象定义为GC Roots:

 

  • Java虚拟机栈中引用的对象:比如方法里面定义这种局部变量 User user= new User();
  • 方法区中的静态属性引用的对象:比如 private static User user = new User();
  • 常量引用的对象:比如 private static final  User user = new User();
  • 本地方法栈(JNI)中引用的对象

三、垃圾回收算法

  1. 标记清除算法(Mark-Sweep)

    是最基础的垃圾回收算法,分为两个阶段,标注和清除。标记阶段标记出所有需要回收的对象,清除阶段回收被标记的对象所占用的空间。首先从根开始将可能被引用的对象用递归的方式进行标记,然后将没有标记到的对象作为垃圾进行回收。

jvm入门及理解(六)——垃圾回收与算法

 

 

jvm入门及理解(六)——垃圾回收与算法

从图中我们就可以发现,该算法最大的问题是内存碎片化严重,后续可能发生大对象不能找到可利用空间的问题。

 

 

  2. 复制算法(copying)

   为了解决 Mark-Sweep 算法内存碎片化的缺陷而被提出的算法。按内存容量将内存划分为等大小 的两块。每次只使用其中一块,当这一块内存满后将尚存活的对象复制到另一块上去,把已使用 的内存清掉,如图:

jvm入门及理解(六)——垃圾回收与算法

 

 

 

jvm入门及理解(六)——垃圾回收与算法

 

 

 这种算法虽然实现简单,内存效率高,不易产生碎片,但是最大的问题是可用内存被压缩到了原 本的一半。且存活对象增多的话,Copying 算法的效率会大大降低。

  

  3.标记整理算法(Mark-Compact)

   结合了以上两个算法,为了避免缺陷而提出。标记阶段和 Mark-Sweep 算法相同,标记后不是清 理对象,而是将存活对象移向内存的一端。然后清除端边界外的对象。如图:

jvm入门及理解(六)——垃圾回收与算法

 

 

 

四、分代收集算法

  介绍:分代收集法是目前大部分 JVM 所采用的方法,其核心思想是根据对象存活的不同生命周期将内存 划分为不同的域,一般情况下将 GC 堆划分为老生代(Tenured/Old Generation)和新生代(Young Generation)。老生代的特点是每次垃圾回收时只有少量对象需要被回收,新生代的特点是每次垃圾回收时都有大量垃圾需要被回收,因此可以根据不同区域选择不同的算法。

  1. 新生代与复制算法

    目前大部分 JVM 的 GC 对于新生代都采取 Copying 算法,因为新生代中每次垃圾回收都要 回收大部分对象,即要复制的操作比较少,但通常并不是按照 1:1 来划分新生代。一般将新生代 划分为一块较大的 Eden 空间和两个较小的 Surviror 空间(From Space, To Space),每次使用 Eden 空间和其中的一块 Survivor 空间,当进行回收时,将该两块空间中还存活的对象复制到另 一块 Survivor 空间中。

  jvm入门及理解(六)——垃圾回收与算法

 

 

 假设from space为s0,to space 为s1

算法过程:

  1. Eden+S0可分配新生对象;
  2. 对Eden+S0进行垃圾收集,存活对象复制到S1清理Eden+S0。一次新生代GC结束。
  3. Eden+S1可分配新生对象;
  4. 对Eden+S1进行垃圾收集,存活对象复制到S0清理Eden+S1。二次新生代GC结束。
  5. 循环1。

  2.老年代与标记整理算法

老年代因为每次只回收少量对象,因而采用 Mark-Compact 算法。

1. JAVA 虚拟机提到过的处于方法区的永生代(Permanet Generation),它用来存储 class 类, 常量,方法描述等。对永生代的回收主要包括废弃常量和无用的类。

2. 对象的内存分配主要在新生代的 Eden Space 和 Survivor Space 的 From Space(Survivor 目 前存放对象的那一块),少数情况会直接分配到老生代。

3. 当新生代的 Eden Space 和 From Space 空间不足时就会发生一次 GC,进行 GC 后,Eden Space 和 From Space 区的存活对象会被挪到 To Space,然后将 Eden Space 和 From Space 进行清理。

4. 如果 To Space 无法足够存储某个对象,则将这个对象存储到老生代。

5. 在进行 GC 后,使用的便是 Eden Space 和 To Space 了,如此反复循环。

6. 当对象在 Survivor 区躲过一次 GC 后,其年龄就会+1。默认情况下年龄到达 15 的对象会被 移到老生代中。

 

五、分区收集算法

分区算法则将整个堆空间划分为连续的不同小区间, 每个小区间独立使用, 独立回收. 这样做的 好处是可以控制一次回收多少个小区间 , 根据目标停顿时间, 每次合理地回收若干个小区间(而不是 整个堆), 从而减少一次 GC 所产生的停顿。

 

六、java中的四种引用

  • 强引用

在 Java 中最常见的就是强引用,把一个对象赋给一个引用变量,这个引用变量就是一个强引 用。当一个对象被强引用变量引用时,它处于可达状态,它是不可能被垃圾回收机制回收的,即 使该对象以后永远都不会被用到 JVM 也不会回收。因此强引用是造成 Java 内存泄漏的主要原因之一,直接new的对象就是强引用的。

  • 软引用

软引用需要用 SoftReference 类来实现,对于只有软引用的对象来说,当系统内存足够时它 不会被回收,当系统内存空间不足时它会被回收。软引用通常用在对内存敏感的程序中。

  • 弱引用

弱引用需要用 WeakReference 类来实现,它比软引用的生存期更短,对于只有弱引用的对象 来说,只要垃圾回收机制一运行,不管 JVM 的内存空间是否足够,总会回收该对象占用的内存。

  • 虚引用

虚引用需要 PhantomReference 类来实现,它不能单独使用,必须和引用队列联合使用。虚 引用的主要作用是跟踪对象被垃圾回收的状态。

 

七、GC 垃圾收集器

Java 堆内存被划分为新生代和年老代两部分,新生代主要使用复制和标记-清除垃圾回收算法; 年老代主要使用标记-整理垃圾回收算法,因此 java 虚拟中针对新生代和年老代分别提供了多种不 同的垃圾收集器,JDK1.6 中 Sun HotSpot 虚拟机的垃圾收集器如下:

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新生代:

  1.  Serial 垃圾收集器(单线程、复制算法)

Serial(英文连续)是最基本垃圾收集器,使用复制算法,曾经是JDK1.3.1 之前新生代唯一的垃圾 收集器。Serial 是一个单线程的收集器,它不但只会使用一个 CPU 或一条线程去完成垃圾收集工 作,并且在进行垃圾收集的同时,必须暂停其他所有的工作线程,直到垃圾收集结束。 Serial 垃圾收集器虽然在收集垃圾过程中需要暂停所有其他的工作线程,但是它简单高效,对于限 定单个 CPU 环境来说,没有线程交互的开销,可以获得最高的单线程垃圾收集效率,因此 Serial 垃圾收集器依然是 java 虚拟机运行在 Client 模式下默认的新生代垃圾收集器。

   2.ParNew 垃圾收集器(Serial+多线程)

ParNew 垃圾收集器其实是 Serial 收集器的多线程版本,也使用复制算法,除了使用多线程进行垃 圾收集之外,其余的行为和 Serial 收集器完全一样,ParNew 垃圾收集器在垃圾收集过程中同样也 要暂停所有其他的工作线程。 ParNew 收集器默认开启和 CPU 数目相同的线程数,可以通过-XX:ParallelGCThreads 参数来限 制垃圾收集器的线程数。ParNew虽然是除了多线程外和Serial 收集器几乎完全一样,但是ParNew垃圾收集器是很多 java 虚拟机运行在 Server 模式下新生代的默认垃圾收集器。

  3.Parallel Scavenge 收集器(多线程复制算法、高效)

Parallel Scavenge 收集器也是一个新生代垃圾收集器,同样使用复制算法,也是一个多线程的垃 圾收集器,它重点关注的是程序达到一个可控制的吞吐量(Thoughput,CPU 用于运行用户代码 的时间/CPU 总消耗时间,即吞吐量=运行用户代码时间/(运行用户代码时间+垃圾收集时间)), 高吞吐量可以最高效率地利用 CPU 时间,尽快地完成程序的运算任务,主要适用于在后台运算而 不需要太多交互的任务。自适应调节策略也是 ParallelScavenge 收集器与 ParNew 收集器的一个 重要区别。

 

老年代:

  4.Serial Old 收集器(单线程标记整理算法 )

Serial Old 是 Serial 垃圾收集器年老代版本,它同样是个单线程的收集器,使用标记-整理算法, 这个收集器也主要是运行在 Client 默认的 java 虚拟机默认的年老代垃圾收集器。 在 Server 模式下,主要有两个用途:

    1. 在 JDK1.5 之前版本中与新生代的 Parallel Scavenge 收集器搭配使用。

    2. 作为年老代中使用 CMS 收集器的后备垃圾收集方案。

新生代 Parallel Scavenge 收集器与 ParNew 收集器工作原理类似,都是多线程的收集器,都使 用的是复制算法,在垃圾收集过程中都需要暂停所有的工作线程。

  

  5.Parallel Old 收集器(多线程标记整理算法)

Parallel Old 收集器是Parallel Scavenge的年老代版本,使用多线程的标记-整理算法,在 JDK1.6 才开始提供。 在 JDK1.6 之前,新生代使用 ParallelScavenge 收集器只能搭配年老代的 Serial Old 收集器,只 能保证新生代的吞吐量优先,无法保证整体的吞吐量,Parallel Old 正是为了在年老代同样提供吞 吐量优先的垃圾收集器,如果系统对吞吐量要求比较高,可以优先考虑新生代 Parallel Scavenge 和年老代 Parallel Old 收集器的搭配策略。

 

  6.Parallel Old 收集器(多线程标记整理算法)

Parallel Old 收集器是Parallel Scavenge的年老代版本,使用多线程的标记-整理算法,在 JDK1.6 才开始提供。 在 JDK1.6 之前,新生代使用 ParallelScavenge 收集器只能搭配年老代的 Serial Old 收集器,只 能保证新生代的吞吐量优先,无法保证整体的吞吐量,Parallel Old 正是为了在年老代同样提供吞 吐量优先的垃圾收集器,如果系统对吞吐量要求比较高,可以优先考虑新生代 Parallel Scavenge 和年老代 Parallel Old 收集器的搭配策略。

  

  7.CMS 收集器(多线程标记清除算法)

Concurrent mark sweep(CMS)收集器是一种年老代垃圾收集器,其最主要目标是获取最短垃圾 回收停顿时间,和其他年老代使用标记-整理算法不同,它使用多线程的标记-清除算法。 最短的垃圾收集停顿时间可以为交互比较高的程序提高用户体验。

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  8.G1 收集器

Garbage first 垃圾收集器是目前垃圾收集器理论发展的最前沿成果,相比与 CMS 收集器,G1 收 集器两个最突出的改进是:

    1. 基于标记-整理算法,不产生内存碎片。

    2. 可以非常精确控制停顿时间,在不牺牲吞吐量前提下,实现低停顿垃圾回收。 G1 收集器避免全区域垃圾收集,它把堆内存划分为大小固定的几个独立区域,并且跟踪这些区域 的垃圾收集进度,同时在后台维护一个优先级列表,每次根据所允许的收集时间,优先回收垃圾 最多的区域。区域划分和优先级区域回收机制,确保 G1 收集器可以在有限时间获得最高的垃圾收 集效率。

 

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