怎么理解Java常見(jiàn)知識(shí)點(diǎn)中的垃圾回收機(jī)制

這篇文章將為大家詳細(xì)講解有關(guān)怎么理解Java常見(jiàn)知識(shí)點(diǎn)中的垃圾回收機(jī)制，文章內(nèi)容質(zhì)量較高，因此小編分享給大家做個(gè)參考，希望大家閱讀完這篇文章后對(duì)相關(guān)知識(shí)有一定的了解。

Java堆中存放著大量的Java對(duì)象實(shí)例，在垃圾收集器回收內(nèi)存前，第一件事情就是確定哪些對(duì)象是“活著的”，哪些是可以回收的。

Java中Stop-The-World機(jī)制簡(jiǎn)稱(chēng)STW，是在執(zhí)行垃圾收集算法時(shí)，Java應(yīng)用程序的其他所有線程都被掛起（除了垃圾收集幫助器之外）。Java中一種全局暫?，F(xiàn)象，全局停頓，所有Java代碼停止，native代碼可以執(zhí)行，但不能與JVM交互；這些現(xiàn)象多半是由于gc引起。

一. 判斷對(duì)象是否存活的算法

1. 引用計(jì)數(shù)算法（基本棄用）

引用計(jì)數(shù)算法是判斷對(duì)象是否存活的基本算法：給每個(gè)對(duì)象添加一個(gè)引用計(jì)數(shù)器，沒(méi)當(dāng)一個(gè)地方引用它的時(shí)候，計(jì)數(shù)器值加1；當(dāng)引用失效后，計(jì)數(shù)器值減1。但是這種方法有一個(gè)致命的缺陷，當(dāng)兩個(gè)對(duì)象相互引用時(shí)會(huì)導(dǎo)致這兩個(gè)都無(wú)法被回收。

2. 根搜索算法（目前使用中）

在主流的商用語(yǔ)言中（Java、C#…）都是使用根搜索算法來(lái)判斷對(duì)象是否存活。對(duì)于程序來(lái)說(shuō)，根對(duì)象總是可以訪問(wèn)的。從這些根對(duì)象開(kāi)始，任何可以被觸及的對(duì)象都被認(rèn)為是”活著的”的對(duì)象。無(wú)法觸及的對(duì)象被認(rèn)為是垃圾，需要被回收。

Java虛擬機(jī)的根對(duì)象集合根據(jù)實(shí)現(xiàn)不同而不同，但是總會(huì)包含以下幾個(gè)方面：

• 棧（棧幀中的本地變量表）中引用的對(duì)象。

• 方法區(qū)中的類(lèi)靜態(tài)屬性引用的變量。

• 方法區(qū)中的常量引用的變量。

• 本地方法JNI的引用對(duì)象。

區(qū)分活動(dòng)對(duì)象和垃圾的兩個(gè)基本方法是引用計(jì)數(shù)和根搜索。 引用計(jì)數(shù)是通過(guò)為堆中每個(gè)對(duì)象保存一個(gè)計(jì)數(shù)來(lái)區(qū)分活動(dòng)對(duì)象和垃圾。根搜索算法實(shí)際上是追蹤從根結(jié)點(diǎn)開(kāi)始的引用圖。

在主流的商用程序語(yǔ)言（如我們的Java）的主流實(shí)現(xiàn)中，都是通過(guò)可達(dá)性分析算法來(lái)判定對(duì)象是否存活的。

二. 垃圾收集算法

1. 標(biāo)記-清除算法

分標(biāo)記和清除兩個(gè)階段：首先標(biāo)記處所需要回收的對(duì)象，在標(biāo)記完成后統(tǒng)一回收所有被標(biāo)記的對(duì)象。

它有兩點(diǎn)不足：一個(gè)效率問(wèn)題，標(biāo)記和清除過(guò)程都效率不高；一個(gè)是空間問(wèn)題，標(biāo)記清除之后會(huì)產(chǎn)生大量不連續(xù)的內(nèi)存碎片（類(lèi)似于我們電腦的磁盤(pán)碎片），空間碎片太多導(dǎo)致需要分配大對(duì)象時(shí)無(wú)法找到足夠的連續(xù)內(nèi)存而不得不提前觸發(fā)另一次垃圾回收動(dòng)作。

2. 復(fù)制算法

為了解決效率問(wèn)題，出現(xiàn)了“復(fù)制”算法，他將可用內(nèi)存按容量劃分為大小相等的兩塊，每次只需要使用其中一塊。當(dāng)一塊內(nèi)存用完了，將還存活的對(duì)象復(fù)制到另一塊上面，然后再把剛剛用完的內(nèi)存空間一次清理掉。這樣就解決了內(nèi)存碎片問(wèn)題，但是代價(jià)就是可以用內(nèi)容就縮小為原來(lái)的一半。

3. 標(biāo)記-整理算法

復(fù)制算法在對(duì)象存活率較高時(shí)就會(huì)進(jìn)行頻繁的復(fù)制操作，效率將降低。因此又有了標(biāo)記-整理算法，標(biāo)記過(guò)程同標(biāo)記-清除算法，但是在后續(xù)步驟不是直接對(duì)對(duì)象進(jìn)行清理，而是讓所有存活的對(duì)象都向一側(cè)移動(dòng)，然后直接清理掉端邊界以外的內(nèi)存。

4. 分代收集法

當(dāng)前商業(yè)虛擬機(jī)的GC都是采用分代收集算法

為了增大垃圾收集的效率，所以JVM將堆進(jìn)行分代，分為不同的部分，一般有三部分，新生代，老年代和永久代（在新的版本中已經(jīng)將永久代廢棄，引入了元空間的概念，永久代使用的是JVM內(nèi)存而元空間直接使用物理內(nèi)存）：

• 新生代（對(duì)應(yīng)minor GC）：所有新new出來(lái)的對(duì)象都會(huì)最先出現(xiàn)在新生代中，當(dāng)新生代這部分內(nèi)存滿(mǎn)了之后，就會(huì)發(fā)起一次垃圾收集事件，這種發(fā)生在新生代的垃圾收集稱(chēng)為Minor collections。這種收集通常比較快，因?yàn)樾律拇蟛糠謱?duì)象都是需要回收的，那些暫時(shí)無(wú)法回收的就會(huì)被移動(dòng)到老年代。

• 老年代（對(duì)應(yīng)Full GC）：老年代用來(lái)存儲(chǔ)那些存活時(shí)間較長(zhǎng)的對(duì)象。一般來(lái)說(shuō)，我們會(huì)給新生代的對(duì)象限定一個(gè)存活的時(shí)間，當(dāng)達(dá)到這個(gè)時(shí)間還沒(méi)有被收集的時(shí)候就會(huì)被移動(dòng)到老年代中。

• 永久代：用于存放靜態(tài)文件，如Java類(lèi)、方法等。持久代對(duì)垃圾回收沒(méi)有顯著影響，但是有些應(yīng)用可能動(dòng)態(tài)生成或者調(diào)用一些class，例如Hibernate 等，在這種時(shí)候需要設(shè)置一個(gè)比較大的持久代空間來(lái)存放這些運(yùn)行過(guò)程中新增的類(lèi)。

程序中主動(dòng)調(diào)用System.gc()強(qiáng)制執(zhí)行的GC為Full GC。

大概流程：

內(nèi)存分區(qū)：

年輕代(Young Generation)（Eden,Survivor-s0,Survivor-s1，大小比例默認(rèn)為8:1:1）

年老代(Old Generation)

永久代(Permanent Generation)。（包含應(yīng)用的類(lèi)/方法信息, 以及JRE庫(kù)的類(lèi)和方法信息.和垃圾回收基本無(wú)關(guān)）

新生代中的對(duì)象“朝生夕死”，每次GC時(shí)都會(huì)有大量對(duì)象死去，少量存活，使用復(fù)制算法。新生代又分為Eden區(qū)和Survivor區(qū)（Survivor from、Survivor to），大小比例默認(rèn)為8:1:1。

老年代中的對(duì)象因?yàn)閷?duì)象存活率高、沒(méi)有額外空間進(jìn)行分配擔(dān)保，就使用標(biāo)記-清除或標(biāo)記-整理算法。

新產(chǎn)生的對(duì)象優(yōu)先進(jìn)去Eden區(qū)，當(dāng)Eden區(qū)滿(mǎn)了之后再使用Survivor from，當(dāng)Survivor from 也滿(mǎn)了之后就進(jìn)行Minor GC（新生代GC），將Eden和Survivor from中存活的對(duì)象copy進(jìn)入Survivor to，然后清空Eden和Survivor from，這個(gè)時(shí)候原來(lái)的Survivor from成了新的Survivor to，原來(lái)的Survivor to成了新的Survivor from。復(fù)制的時(shí)候，如果Survivor to 無(wú)法容納全部存活的對(duì)象，則根據(jù)老年代的分配擔(dān)保（類(lèi)似于銀行的貸款擔(dān)保）將對(duì)象copy進(jìn)去老年代，如果老年代也無(wú)法容納，則進(jìn)行Full GC（老年代GC）。

• 大對(duì)象直接進(jìn)入老年代：JVM中有個(gè)參數(shù)配置-XX:PretenureSizeThreshold，令大于這個(gè)設(shè)置值的對(duì)象直接進(jìn)入老年代，目的是為了避免在Eden和Survivor區(qū)之間發(fā)生大量的內(nèi)存復(fù)制。

• 長(zhǎng)期存活的對(duì)象進(jìn)入老年代：JVM給每個(gè)對(duì)象定義一個(gè)對(duì)象年齡計(jì)數(shù)器，如果對(duì)象在Eden出生并經(jīng)過(guò)第一次Minor GC后仍然存活，并且能被Survivor容納，將被移入Survivor并且年齡設(shè)定為1。每熬過(guò)一次Minor GC，年齡就加1，當(dāng)他的年齡到一定程度（默認(rèn)為15歲，可以通過(guò)XX:MaxTenuringThreshold來(lái)設(shè)定），就會(huì)移入老年代。

• 但是JVM并不是永遠(yuǎn)要求年齡必須達(dá)到最大年齡才會(huì)晉升老年代，如果Survivor 空間中相同年齡（如年齡為x）所有對(duì)象大小的總和大于Survivor的一半，年齡大于等于x的所有對(duì)象直接進(jìn)入老年代，無(wú)需等到最大年齡要求。

三. 垃圾收集器

垃圾回收算法是方法論，垃圾回收器是實(shí)現(xiàn)。

• Serial收集器：串行收集器是最古老，最穩(wěn)定以及效率高的收集器，可能會(huì)產(chǎn)生較長(zhǎng)的停頓，只使用一個(gè)線程去回收。（STW）它是虛擬機(jī)運(yùn)行在client模式下的默認(rèn)新生代收集器：簡(jiǎn)單而高效（與其他收集器的單個(gè)線程相比，因?yàn)闆](méi)有線程切換的開(kāi)銷(xiāo)等）。

• ParNew收集器：ParNew收集器其實(shí)就是Serial收集器的多線程版本。（STW）是許多運(yùn)行在Server模式下的JVM中首選的新生代收集器，其中一個(gè)很重還要的原因就是除了Serial之外，只有他能和老年代的CMS收集器配合工作。

• Parallel Scavenge收集器：Parallel Scavenge收集器類(lèi)似ParNew收集器，Parallel收集器更關(guān)注系統(tǒng)的吞吐量（就是CPU運(yùn)行用戶(hù)代碼的時(shí)間與CPU總消耗時(shí)間的比值，即 吞吐量=運(yùn)行用戶(hù)代碼的時(shí)間/[運(yùn)行用戶(hù)代碼的時(shí)間+垃圾收集時(shí)間]）。

• CMS收集器：CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是一種以獲取最短回收停頓時(shí)間為目標(biāo)的收集器。，停頓時(shí)間短，用戶(hù)體驗(yàn)就好。

基于“標(biāo)記清除”算法，并發(fā)收集、低停頓，運(yùn)作過(guò)程復(fù)雜，分4步：

• 初始標(biāo)記：僅僅標(biāo)記GC Roots能直接關(guān)聯(lián)到的對(duì)象，速度快，但是需要“Stop The World”

• 并發(fā)標(biāo)記：就是進(jìn)行追蹤引用鏈的過(guò)程，可以和用戶(hù)線程并發(fā)執(zhí)行。

• 重新標(biāo)記：修正并發(fā)標(biāo)記階段因用戶(hù)線程繼續(xù)運(yùn)行而導(dǎo)致標(biāo)記發(fā)生變化的那部分對(duì)象的標(biāo)記記錄，比初始標(biāo)記時(shí)間長(zhǎng)但遠(yuǎn)比并發(fā)標(biāo)記時(shí)間短，需要“Stop The World”

• 并發(fā)清除：清除標(biāo)記為可以回收對(duì)象，可以和用戶(hù)線程并發(fā)執(zhí)行

由于整個(gè)過(guò)程耗時(shí)最長(zhǎng)的并發(fā)標(biāo)記和并發(fā)清除都可以和用戶(hù)線程一起工作，所以總體上來(lái)看，CMS收集器的內(nèi)存回收過(guò)程和用戶(hù)線程是并發(fā)執(zhí)行的。

CSM收集器有3個(gè)缺點(diǎn)：

1)對(duì)CPU資源非常敏感

并發(fā)收集雖然不會(huì)暫停用戶(hù)線程，但因?yàn)檎加靡徊糠諧PU資源，還是會(huì)導(dǎo)致應(yīng)用程序變慢，總吞吐量降低。

CMS的默認(rèn)收集線程數(shù)量是=(CPU數(shù)量+3)/4；當(dāng)CPU數(shù)量多于4個(gè)，收集線程占用的CPU資源多于25%，對(duì)用戶(hù)程序影響可能較大；不足4個(gè)時(shí)，影響更大，可能無(wú)法接受。

2)無(wú)法處理浮動(dòng)垃圾（在并發(fā)清除時(shí)，用戶(hù)線程新產(chǎn)生的垃圾叫浮動(dòng)垃圾）,可能出現(xiàn)”Concurrent Mode Failure”失敗。

并發(fā)清除時(shí)需要預(yù)留一定的內(nèi)存空間，不能像其他收集器在老年代幾乎填滿(mǎn)再進(jìn)行收集；如果CMS預(yù)留內(nèi)存空間無(wú)法滿(mǎn)足程序需要，就會(huì)出現(xiàn)一次”Concurrent Mode Failure”失?。贿@時(shí)JVM啟用后備預(yù)案：臨時(shí)啟用Serail Old收集器，而導(dǎo)致另一次Full GC的產(chǎn)生；

3)產(chǎn)生大量?jī)?nèi)存碎片：CMS基于”標(biāo)記-清除”算法，清除后不進(jìn)行壓縮操作產(chǎn)生大量不連續(xù)的內(nèi)存碎片，這樣會(huì)導(dǎo)致分配大內(nèi)存對(duì)象時(shí)，無(wú)法找到足夠的連續(xù)內(nèi)存，從而需要提前觸發(fā)另一次Full GC動(dòng)作。

• Serial Old收集器：Serial 收集器的老年代版本，單線程，“標(biāo)記整理”算法，主要是給Client模式下的虛擬機(jī)使用?？梢宰鳛镃MS的后背方案，在CMS發(fā)生Concurrent Mode Failure是使用

• Parallel Old 收集器：Parallel Scavenge的老年代版本，多線程，“標(biāo)記整理”算法，JDK 1.6才出現(xiàn)。在此之前Parallel Scavenge只能同Serial Old搭配使用，由于Serial Old的性能較差導(dǎo)致Parallel Scavenge的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮不出來(lái)，Parallel Old收集器的出現(xiàn)，使“吞吐量?jī)?yōu)先”收集器終于有了名副其實(shí)的組合。在吞吐量和CPU敏感的場(chǎng)合，都可以使用Parallel Scavenge/Parallel Old組合。

• G1收集器：G1 (Garbage-First)是一款面向服務(wù)器的垃圾收集器,主要針對(duì)配備多顆處理器及大容量?jī)?nèi)存的機(jī)器. 以極高概率滿(mǎn)足GC停頓時(shí)間要求的同時(shí),還具備高吞吐量性能特征。G1是面向服務(wù)端應(yīng)用的垃圾收集器。它的使命是未來(lái)可以替換掉CMS收集器。

關(guān)于怎么理解Java常見(jiàn)知識(shí)點(diǎn)中的垃圾回收機(jī)制就分享到這里了，希望以上內(nèi)容可以對(duì)大家有一定的幫助，可以學(xué)到更多知識(shí)。如果覺(jué)得文章不錯(cuò)，可以把它分享出去讓更多的人看到。