Java垃圾回收機(jī)制的底層原理是什么

這篇文章給大家介紹Java垃圾回收機(jī)制的底層原理是什么，內(nèi)容非常詳細(xì)，感興趣的小伙伴們可以參考借鑒，希望對(duì)大家能有所幫助。

3.1.2 垃圾回收機(jī)制

Java 內(nèi)存運(yùn)行時(shí)區(qū)域中的程序計(jì)數(shù)器、虛擬機(jī)棧、本地方法棧隨線程而生滅，棧中的棧幀隨著方法的進(jìn)入和退出而有條不紊地執(zhí)行著出棧和入棧操作。每一個(gè)棧幀中分配多少內(nèi)存基本上是在類結(jié)構(gòu)確定下來(lái)時(shí)就已知的（盡管在運(yùn)行期會(huì)由 JIT 編譯器進(jìn)行一些優(yōu)化），因此這幾個(gè)區(qū)域的內(nèi)存分配和回收都具備確定性，不需要過(guò)多考慮回收的問(wèn)題，因?yàn)榉椒ńY(jié)束或者線程結(jié)束時(shí)，內(nèi)存自然就跟隨著回收了。

而 Java 堆不一樣，一個(gè)接口中的多個(gè)實(shí)現(xiàn)類需要的內(nèi)存可能不一樣，一個(gè)方法中的多個(gè)分支需要的內(nèi)存也可能不一樣，我們只有在程序處于運(yùn)行期間時(shí)才能知道會(huì)創(chuàng)建哪些對(duì)象，這部分內(nèi)存的分配和回收都是動(dòng)態(tài)的，垃圾收集器所關(guān)注的是這部分內(nèi)存。

自動(dòng)垃圾收集

自動(dòng)垃圾收集是查看堆內(nèi)存，識(shí)別正在使用那些對(duì)象，那些對(duì)象未被刪除，刪除未被使用對(duì)象的過(guò)程。使用中對(duì)象或引用的對(duì)象意味著程序的某些部分任然維護(hù)指向該對(duì)象的指針。程序的任何部分都不再引用未使用的對(duì)象或未引用的對(duì)象，則可以回收未引用對(duì)象的內(nèi)存。在C語(yǔ)言中，內(nèi)存的分配和釋放是手動(dòng)的過(guò)程，在Java語(yǔ)言中內(nèi)存的分配和回收是由垃圾收集器自動(dòng)處理的。

而在自動(dòng)垃圾收集中如何確定那些內(nèi)存需要被回收，通常來(lái)說(shuō)第一步就是標(biāo)記，利用引用計(jì)數(shù)，可達(dá)性分析等來(lái)標(biāo)記那些內(nèi)存正在使用，那些內(nèi)存不在使用。

引用計(jì)數(shù)法

引用計(jì)數(shù)法主要是通過(guò)給對(duì)象中添加一個(gè)引用計(jì)數(shù)器，每當(dāng)一個(gè)地方引用它時(shí)，計(jì)數(shù)器的值就加1，當(dāng)引用失效時(shí)，計(jì)數(shù)器的值就減1，當(dāng)計(jì)數(shù)器的值為0時(shí)，對(duì)象就是不可能被使用的，可以對(duì)其進(jìn)行垃圾回收。引用計(jì)數(shù)法的實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，效率也比較高，但是它很難解決對(duì)象之間循環(huán)引用的問(wèn)題。

可達(dá)性分析算法

可達(dá)性分析算法，也稱為根搜索算法，這個(gè)算法的基本思路就是通過(guò)一系列的名為“GC Roots”的對(duì)象為起始點(diǎn)，從這些節(jié)點(diǎn)開(kāi)始向下搜索，搜索所走過(guò)的路徑稱為引用鏈，當(dāng)一個(gè)對(duì)象到“GC Roots”沒(méi)有任何引用鏈相連，則證明對(duì)象是不可用的，可以對(duì)其進(jìn)行垃圾回收。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，將對(duì)象及其引用關(guān)系看作一個(gè)圖，選定活動(dòng)的對(duì)象作為“GC Roots”，然后跟蹤引用鏈條，如果一個(gè)對(duì)象和”GC Roots“之間不可達(dá)，也就是不存在引用，即可認(rèn)為是可回收對(duì)象。

引用類型和可達(dá)性級(jí)別

引用類型：

• 強(qiáng)引用（Strong Reference）：最常見(jiàn)的普通引用，只要還有強(qiáng)引用指向一個(gè)對(duì)象，就不會(huì)回收

• 軟引用（Soft Reference）：JVM認(rèn)為內(nèi)存不足阿時(shí)候，才會(huì)去試圖回收軟引用指向的對(duì)象（緩存場(chǎng)景）

• 弱引用（Weak Reference）：雖然是引用，但隨時(shí)有可能被回收掉

• 虛引用（Phantom Reference）：不能通過(guò)它訪問(wèn)對(duì)象，提供對(duì)象被finalize以后，執(zhí)行指定邏輯的機(jī)制。

可達(dá)性級(jí)別：

• 強(qiáng)可達(dá)（Strongly Reachable）：一個(gè)對(duì)象可以有一個(gè)或多個(gè)線程可以不通過(guò)各種引用訪問(wèn)到的情況

• 軟可達(dá)（Softly Reachable）：只能通過(guò)軟引用才能訪問(wèn)到的狀態(tài)

• 弱引用（Weakly Reachable）：只能通過(guò)弱引用訪問(wèn)時(shí)的狀態(tài)，當(dāng)弱引用被清除的時(shí)候，就符合銷毀條件

• 幻像可達(dá)（Phantom Reachable）：不存在其他引用，并且finalize過(guò)了，只有幻像引用指向這個(gè)對(duì)象

• 不可達(dá)（Unreachable）：意味著對(duì)象可以被清除了

垃圾收集算法

目前主流廣泛使用的垃圾收集算法，主要有標(biāo)記-清除算法（Mark-Sweep），復(fù)制算法（Coping）以及標(biāo)記-整理算法（Mark-Compact）。

標(biāo)記-清除算法：首先識(shí)別出所有要回收的對(duì)象，然后進(jìn)行清除。標(biāo)記，清除的過(guò)程效率有限，存在內(nèi)存碎片化的問(wèn)題，不適合特別大的堆。其他收集算法基本都是基于標(biāo)記-清除的思路進(jìn)行改進(jìn)。

復(fù)制算法：劃分兩塊同等大小的區(qū)域，收集時(shí)將活著的對(duì)象復(fù)制到另一塊區(qū)域。復(fù)制過(guò)程中將對(duì)象順序放置，就可以避免內(nèi)存碎片化。但是復(fù)制加上預(yù)留內(nèi)存有一定的浪費(fèi)

標(biāo)記-整理算法：類似于標(biāo)記-清除，但為避免內(nèi)存碎片化，它會(huì)在清理過(guò)程中將對(duì)象移動(dòng)，以確保移動(dòng)后的對(duì)象占用連續(xù)的內(nèi)存

分代收集

根據(jù)對(duì)象的存活周期，將內(nèi)存劃分為幾個(gè)區(qū)域，不同區(qū)域采用合適的垃圾收集算法。目前主流的JVM一般將堆內(nèi)存分為新生代和老年代（大小比列為1：2），而新生代又被分為了eden、from survivor、to survivor（大小比列為8:1:1）。在新生代中，每次垃圾收集時(shí)都發(fā)現(xiàn)有大量對(duì)象死去，只有少量存活，那么就可以選用復(fù)制算法，只需付出少量對(duì)象的復(fù)制成本就可以完成收集。在老年代中，對(duì)象存活率高，就可以使用標(biāo)記-清除，標(biāo)記-整理算法。

新生代幾乎是所有JAVA對(duì)象出生的地方，JAVA對(duì)象申請(qǐng)的內(nèi)存和存放都是在這個(gè)地方，JVM每次只會(huì)使用新生代中的eden和其中一塊survivor來(lái)為對(duì)象服務(wù)，所以無(wú)論什么時(shí)候，都會(huì)有一塊survivor空間空閑。當(dāng)對(duì)象經(jīng)過(guò)一次minor gc后仍然存活，并且能夠被另外一塊survivor所容納，則使用復(fù)制算法將這些仍然存活的對(duì)象復(fù)制到另外一塊survior區(qū)域中，然后清理掉eden和之前使用的survivor區(qū)域，并將這些存活的對(duì)象年齡+1，以后對(duì)象在survivor中每熬過(guò)一次minor gc則年齡增加1，當(dāng)年齡達(dá)到某個(gè)值時(shí)（默認(rèn)15，通過(guò)設(shè)置參數(shù)-XX:MaxTenuringThreshold來(lái)設(shè)置），這些對(duì)象就會(huì)進(jìn)入老年代。當(dāng)然，對(duì)于一些較大的對(duì)象可以直接進(jìn)入老年代，可以根據(jù)-XX:+PretenureSizeThreshold設(shè)置大對(duì)象進(jìn)入老年代的閾值。

垃圾收集器

垃圾收集算法只是內(nèi)存回收的理論方法，垃圾收集器才是內(nèi)存回收的具體實(shí)現(xiàn)。Java虛擬機(jī)規(guī)范中對(duì)垃圾收集器的實(shí)現(xiàn)沒(méi)有具體的規(guī)定，不同廠商，不同版本的垃圾收集器可能會(huì)差別很大。目前常見(jiàn)的垃圾收集器主要有Serial收集器，ParNew收集器，Parallel Scavenge收集器，Serial Old收集器，Parallel Old收集器，CMS收集器，G1收集器。這些垃圾收集器各有優(yōu)劣，一般都是組合在一起使用，下圖展示了在新生代和老年代可用的垃圾收集器組合：

Serial收集器

Serial收集器是一個(gè)串行收集器，使用單個(gè)線程來(lái)執(zhí)行所有垃圾收集工作，適合單處理器機(jī)器，GC在工作的時(shí)候?qū)和Ｆ渌械墓ぷ骶€程，即”Stop The World“。Serial收集器是一個(gè)新生代的單線程收集器，它使用復(fù)制算法，是虛擬機(jī)在client模式下的默認(rèn)新生代收集器，可以通過(guò)設(shè)置參數(shù)-XX:+UseSerialGC來(lái)使用。

ParNew收集器

ParNew收集器可以理解為串行收集器的多線程版本，其整體算法和Serial比較相似，除了使用多線程進(jìn)行垃圾回收，其他的基本和Serial收集器一樣。ParNew收集器是虛擬機(jī)在server模式下的默認(rèn)新生代收集器，可以通過(guò)設(shè)置參數(shù)-XX:+UseParNewGC來(lái)使用。默認(rèn)情況下它開(kāi)啟的線程數(shù)和CPU數(shù)量相同，也可以通過(guò)設(shè)置參數(shù)-XX:ParallelGCThreads來(lái)配置垃圾收集的線程數(shù)。

Parallel Scavenge收集器

Parallel Scavenge收集器也是一個(gè)新生代的并行垃圾收集器，使用的也是復(fù)制算法。Parallel Scavenge收集器的目標(biāo)是達(dá)到一個(gè)可控制的吞吐量。吞吐量就是CPU運(yùn)行用戶代碼的時(shí)間與CPU消耗的總時(shí)間的比值，即吞吐量=運(yùn)行用戶代碼時(shí)間/（運(yùn)行用戶代碼時(shí)間+垃圾收集時(shí)間）。Parallel Scavenge收集器提供-XX:MaxGCPauseMillis來(lái)控制最大垃圾收集停頓時(shí)間和-XX:GCTimeRatio來(lái)直接設(shè)置吞吐量的大小。

Serial Old收集器

Serial Old收集器是Serial收集器的在老年代使用的版本，它采用了標(biāo)記-整理算法，可以通過(guò)設(shè)置參數(shù)-XX:+UseSerialOldGC來(lái)使用。

Parallel Old收集器

Parallel Old收集器是Parallel Scavenge收集器的老年代版本，使用多線程和標(biāo)記-整理算法，可以通過(guò)設(shè)置參數(shù)-XX:+UseParallelOldGC來(lái)使用。

CMS收集器

CMS收集器是一個(gè)并發(fā)收集器，CMS即Concurrent Mark Swap，主要用于老年代，使用標(biāo)記-清除算法，可以通過(guò)設(shè)置參數(shù)-XX:+UseConcMarkSweepGC來(lái)使用。CMS收集器可以并行的執(zhí)行用戶程序和垃圾回收，這樣就可以減少回收的停頓時(shí)間。CMS收集器設(shè)計(jì)的主要目的就是為了減少回收停頓時(shí)間，目前很多的Java應(yīng)用都集中在互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)站或B/S系統(tǒng)服務(wù)端，這類應(yīng)用尤其重視服務(wù)的響應(yīng)速度，希望系統(tǒng)停頓時(shí)間最短，CMS收集器非常符合這類應(yīng)用的要求。當(dāng)然，CMS收集器也有自己的缺點(diǎn)，它會(huì)占用更多的CPU資源，并和用戶線程爭(zhēng)搶，同時(shí)由于采用標(biāo)記－清除算法，存在著內(nèi)存碎片化的問(wèn)題，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行等情況下可能發(fā)full gc導(dǎo)致惡劣的停頓。

CMS收集器垃圾收集的整個(gè)過(guò)程有4個(gè)步驟，初始標(biāo)記，并發(fā)標(biāo)記，重寫標(biāo)記以及并發(fā)清除。其中初始標(biāo)記和重寫標(biāo)記任然需要”Stop The World”，但是速度很快，整個(gè)過(guò)程中耗時(shí)的操作在并發(fā)標(biāo)記和并發(fā)清除階段，在這個(gè)過(guò)程中，收集器線程都可以和用戶線程一起工作。

G1收集器

G1（Garage First）收集器是當(dāng)前垃圾收集器技術(shù)最前沿的成果，在JDK7中開(kāi)始使用（可以通過(guò)配置-XX:+UseG1GC使用），從JDK9開(kāi)始G1已經(jīng)成為JVM默認(rèn)的垃圾收集器。G1垃圾收集器也是以關(guān)注延遲為目標(biāo)、服務(wù)器端應(yīng)用的垃圾收集器，其目標(biāo)就是取代CMS垃圾收集器。

G1采用了分區(qū)(Region)的思路，將整個(gè)堆空間分成若干個(gè)大小相等的內(nèi)存區(qū)域，每次分配對(duì)象空間將逐段地使用內(nèi)存，這樣最大的好處就是化整為零，避免全內(nèi)存掃描，只需要按照區(qū)域來(lái)進(jìn)行掃描即可。啟動(dòng)時(shí)可以通過(guò)參數(shù)-XX:G1HeapRegionSize=n可指定分區(qū)大小(1MB~32MB，且必須是2的冪)，默認(rèn)將整堆劃分為2048個(gè)分區(qū)。在堆的使用上，整個(gè)內(nèi)存分區(qū)不存在物理上的年輕代和老年代的區(qū)別，也不需要完全獨(dú)立的 Survivor to space 堆做復(fù)制準(zhǔn)備。G1 只有邏輯上的分代概念，或者說(shuō)每個(gè)分區(qū)都可能隨 G1 的運(yùn)行在不同代之間前后切換。

G1收集器整體采用標(biāo)記-整理算法，局部是通過(guò)是通過(guò)復(fù)制算法，不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)存碎片，能充分利用多 CPU、多核環(huán)境硬件優(yōu)勢(shì)，盡量縮短”Stop The World”的時(shí)間

下圖左側(cè)為G1收集器的內(nèi)存劃分概圖，紅色為新生代（沒(méi)有S的為eden區(qū)域，有S的為survivor區(qū)域），藍(lán)色為老年代（帶有H的表示humongous ，存放humongous objects，即大于等于region一半的對(duì)象）。右側(cè)為G1收集器的垃圾收集環(huán)圖，G1的垃圾收集在層次上可以分為兩個(gè)階段，young-only階段和Space-reclamation階段，在young-only階段又分為Initial Mark ，Remark，Cleanup。

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