JAVA虚拟机系列-垃圾回收

zhusq jvm

概述

Java和C/C++，虽然同为老牌且热门的语言，但它们最大的差别之一就是GC了。C/C++需要自己管理内存，而Java有垃圾自动收集回收机制，简直不要太爽。（然而，如果你搞一些骚操作，还是有可能会导致内存泄露）。

Java垃圾回收机制是在JVM实现的，那么JVM是怎么进行GC的呢。

JVM进行垃圾回收可以概括成两个阶段。

1. 判断对象是否可回收
要进行GC，就要判断哪些对象是不会引用的，从而将它们进行释放处理。

2. 回收算法
对象是否可回收已经确定，要考虑使用什么算法来高效的进行回收。

当然，JVM为了快速的GC，还将内存分为多个区域：Eden区（俗称新生代），Old区（俗称老年代）
在回收时，也根据新生代和老年代采用了不同的方法

标记算法

要进行回收，就要判断对象是否可回收。

1. 引用计数法

原理是为每一个对象做计数处理，当该对象被引用时，计数+1。如果某个对象的引用计数为0，则说明该对象可以被回收。

听起来蛮不错的，但是引用计数法有一个致命的缺点：无法解决相互引用的问题

什么是互相引用呢，这里用一段代码来解释解释。

public class A{
    B b;
}

public class B{
   A a;
}

public void test(){
     A a = new A();
     B b = new B();
     a.b = b;
     b.a = a;
}

上述代码中，对象a，b互相引用对方，它们的计数肯定不为0，事实上a,b都是可回收对象，如此一来a，b将永远不会被回收，导致内存泄露。

2. 可达性分析算法

根据一些根对象（GC Roots）来遍历查找对象间引用关系，当遍历完成后对象还未被引用，则认为是可回收的对象。

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JVM可作为 GC Roots 对象如下：

  1. 虚拟机栈中的引用的对象
  2. 方法区中类的静态对象
  3. 方法区中常量引用对象
  4. 本地方法栈引用的对象

回收算法

已确定了对象是否可回收，接下来进行回收操作。JVM回收算法有以下几种

  • 标记-清除
  • 复制算法
  • 标记-整理

1. 标记-清除算法

在一块大内存中，对对象做标记，然后回收不再使用的对象区域。但是这样做会导致内存碎片化，内存被分为七零八碎时，大对象的分配可能会因为内存不足，触发FullGC。

已对对象进行标记
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清除之后
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2. 复制算法

先标记对象，在回收的时候清除掉可回收对象，然后整理还存活的对象。
这样虽然解决了碎片问题，但是这样做效率很低。

标记处理
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回收并复制对象
20191129-5

3. 标记-整理法

标记整理法在一开始就对内存分为两块，进行内存分配时，分配在其中一块，当进行垃圾回收时，将还存活的对象复制到另一块，先前一块清空。（这个就是JVM年轻代使用的算法）

标记对象
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整理并清除不再使用的对象
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4. JVM中使用的垃圾回收算法

在JVM中，将堆内存分为 年轻代和老年代（如果是使用G1垃圾回收器的话，就没有分代这个概念）。不同的内存有不同的特性和回收算法。

年轻代
新对象都会在这个区域分配（大对象就不是了），这里存放的一般都是生命周期比较短的对象，也是垃圾回收的主要区域。
年轻代主要使用的是标记-整理法，因为对象分配的多，回收的也快，所以要采用高效的收集算法。
当年轻代的对象进行了多次后还存活（默认为15次），该对象将会被移到老年代。

老年代
老年代存储的都是能长久存活的对象，所以一般不会对老年代进行回收处理。
老年代因为不会被频繁回收，一般采用的是标记-清理算法，当然标记-整理也有可能被使用

JVM中的垃圾收集器

HotSpot虚拟机根据年轻代和老年代分别使用不同的垃圾回收器，具体如下图所示：

20191129-8

上图的连线代表新生代和老年代可以搭配用的组合

1. 年轻代收集器：Serial收集器

单线程回收器，在低版本的JDK中用到。它在进行垃圾回收时要停止其他所有线程，直到垃圾收集结束。这种收集方法就是大名鼎鼎的Stop The World。在低版本的Go语言回收垃圾也是会将其他工作线程停掉，然后回收。

这种垃圾回收器非常慢，对系统而言并不友好，现在基本不会用到。

2. 年轻代收集器：ParNew收集器

其实就是 Serial 的多线程版本，用多个线程进行垃圾回收，在回收的时候也会暂停其他工作线程，它的收集算法、对象分配规则、回收策略都和Serial 一样

3. 年轻代收集器：Parallel Scavenge收集器

Parallel Scavenge 也是使用复制算法的收集器，也是多线程收集器，这个与ParNew类似，但它的关注点不一样。

Parallel Scavenge 关注的是吞吐量，目标是达到一个可控制的吞吐量。吞吐量 = 运行用户代码时间 / （运行用户代码时间+垃圾回收时间）

吞吐量越大，说明能够更快的响应用户的请求，达到良好的交互效果。

4. 老年代收集器：Serial Old收集器

Serial Old 是Serial 老年代版，使用单线程处理器，在进行垃圾回收时也会暂停其他工作线程，直到回收结束。

5. 老年代收集器：CMS收集器

CMS是以最短回收停顿为目标的垃圾收集器，也是目前使用最广的老年代垃圾收集器。（在JDK8中Hotspot默认的老年代收集器，JDK11就改为G1了）。

CMS 采用的是 标记-清理 算法，一般清理一遍过后，内存会有些许碎片，如果碎片过多或者老年代空间不够用，则会进行内存整理。

CMS收集的过程可以归纳为5个：

  1. 初始标记
    • 暂停其他线程，对所有对象进行第一次标记
  2. 并行标记
    • 与业务线程一起并发执行，对对象进行第二次标记
  3. 重新标记
    • 暂停其他线程，修正在并发标记时标记错误的对象
  4. 并发清除
    • 与业务线程一起并发执行，采用 标记-清理 算法
  5. 重置状态，等待下一次执行

可以看到，CMS在初始标记和重新标记时，才会暂停业务线程，第二次标记和清除时都是并发执行的，这样整个垃圾回收的停顿时间就被大大减少

CMS虽然是一款优秀的垃圾回收器，但还有一些缺点

  1. 会占用一些的CPU，毕竟要并发标记和并发清除。默认的线程数为 (CPU数量+3)/4
  2. 不会清除浮动的垃圾。因为CMS在回收的时候是并发执行的，此时业务线程新产生的垃圾是无法回收的。
  3. 会导致内存碎片化

6. 新时代的收集器：G1收集器

G1是一款当今最前沿的垃圾收集器，目的是低延迟、高吞吐量、可以预测停顿时间。

G1在空间分配上与其他的收集器不一样，并且能够利用多个CPU来缩短线程停顿时间。

总结

垃圾回收一般会有两个步骤

  1. 标记对象是否可回收
  2. 清除

标记和清除都有不同的算法，各有优劣。

JVM中有多种垃圾回收器， 各有优劣，可以满足不同的业务需求