jvm入門及理解（六）——垃圾回收與演算法

2020 年 6 月 25 日
筆記
JAVA

一、jvm垃圾回收要做的事情

哪些記憶體需要回收
什麼時候回收
怎麼回收

二、如何判斷對象已經死亡，或者說確定為垃圾

引用計數法：

給對象中添加一個引用計數器，每當有一個地方引用它時，計數器的值就加1；當引用失效時，計數器值就減1；任何時刻計數器為0的對象就是不可能再被使用的。這也就是需要回收的對象，簡單地說，即一個對象如果沒有任何與之關聯的引用，即他們的引用計數都為 0，則說明對象不太可能再被用到，那麼這個對象就是可回收的對象。

引用計數法是對象記錄自己被多少程式引用，引用計數為零的對象將被清除。

計數器表示的是有多少程式引用了這個對象（被引用數）。計數器是無符號的整數。
根搜索演算法：

　　　　通過一系列成為GC roots的點作為起點，向下搜索，當一個對象到任何GC Roots時沒有引用鏈相連，則說明對象已經死亡。

　　　　如果在GC roots和一個對象之間沒有可達路徑（引用鏈），則稱該對象是不可達的。要注意的是，不可達對象不等價於可回收對象，不可達對象變為可回收對象至少要經過兩次標記過程。兩次標記後仍然是可回收對象，則將面臨回收。

　　　　jvm會將以下的對象定義為GC Roots:

Java虛擬機棧中引用的對象：比如方法裡面定義這種局部變數 User user= new User();
方法區中的靜態屬性引用的對象：比如 private static User user = new User();
常量引用的對象：比如 private static final User user = new User();
本地方法棧（JNI）中引用的對象

三、垃圾回收演算法

標記清除演算法（Mark-Sweep）

　　　　是最基礎的垃圾回收演算法，分為兩個階段，標註和清除。標記階段標記出所有需要回收的對象，清除階段回收被標記的對象所佔用的空間。首先從根開始將可能被引用的對象用遞歸的方式進行標記，然後將沒有標記到的對象作為垃圾進行回收。

從圖中我們就可以發現，該演算法最大的問題是記憶體碎片化嚴重，後續可能發生大對象不能找到可利用空間的問題。

　　2. 複製演算法（copying）

　　　為了解決 Mark-Sweep 演算法記憶體碎片化的缺陷而被提出的演算法。按記憶體容量將記憶體劃分為等大小的兩塊。每次只使用其中一塊，當這一塊記憶體滿後將尚存活的對象複製到另一塊上去，把已使用的記憶體清掉，如圖：

這種演算法雖然實現簡單，記憶體效率高，不易產生碎片，但是最大的問題是可用記憶體被壓縮到了原本的一半。且存活對象增多的話，Copying 演算法的效率會大大降低。

　　3.標記整理演算法(Mark-Compact)

　　　結合了以上兩個演算法，為了避免缺陷而提出。標記階段和 Mark-Sweep 演算法相同，標記後不是清理對象，而是將存活對象移向記憶體的一端。然後清除端邊界外的對象。如圖：

四、分代收集演算法

　　介紹：分代收集法是目前大部分 JVM 所採用的方法，其核心思想是根據對象存活的不同生命周期將記憶體劃分為不同的域，一般情況下將 GC 堆劃分為老生代(Tenured/Old Generation)和新生代(Young Generation)。老生代的特點是每次垃圾回收時只有少量對象需要被回收，新生代的特點是每次垃圾回收時都有大量垃圾需要被回收，因此可以根據不同區域選擇不同的演算法。

新生代與複製演算法

　　　　目前大部分 JVM 的 GC 對於新生代都採取 Copying 演算法，因為新生代中每次垃圾回收都要回收大部分對象，即要複製的操作比較少，但通常並不是按照 1：1 來劃分新生代。一般將新生代劃分為一塊較大的 Eden 空間和兩個較小的 Surviror 空間(From Space, To Space)，每次使用 Eden 空間和其中的一塊 Survivor 空間，當進行回收時，將該兩塊空間中還存活的對象複製到另一塊 Survivor 空間中。

假設from space為s0,to space 為s1

演算法過程：

Eden+S0可分配新生對象；
對Eden+S0進行垃圾收集，存活對象複製到S1。清理Eden+S0。一次新生代GC結束。
Eden+S1可分配新生對象；
對Eden+S1進行垃圾收集，存活對象複製到S0。清理Eden+S1。二次新生代GC結束。
循環1。

　　2.老年代與標記整理演算法

老年代因為每次只回收少量對象，因而採用 Mark-Compact 演算法。

1. JAVA 虛擬機提到過的處於方法區的永生代(Permanet Generation)，它用來存儲 class 類，常量，方法描述等。對永生代的回收主要包括廢棄常量和無用的類。

2. 對象的記憶體分配主要在新生代的 Eden Space 和 Survivor Space 的 From Space(Survivor 目前存放對象的那一塊)，少數情況會直接分配到老生代。

3. 當新生代的 Eden Space 和 From Space 空間不足時就會發生一次 GC，進行 GC 後，Eden Space 和 From Space 區的存活對象會被挪到 To Space，然後將 Eden Space 和 From Space 進行清理。

4. 如果 To Space 無法足夠存儲某個對象，則將這個對象存儲到老生代。

5. 在進行 GC 後，使用的便是 Eden Space 和 To Space 了，如此反覆循環。

6. 當對象在 Survivor 區躲過一次 GC 後，其年齡就會+1。默認情況下年齡到達 15 的對象會被移到老生代中。

五、分區收集演算法

分區演算法則將整個堆空間劃分為連續的不同小區間, 每個小區間獨立使用, 獨立回收. 這樣做的好處是可以控制一次回收多少個小區間 , 根據目標停頓時間, 每次合理地回收若干個小區間(而不是整個堆), 從而減少一次 GC 所產生的停頓。

六、java中的四種引用

強引用

在 Java 中最常見的就是強引用，把一個對象賦給一個引用變數，這個引用變數就是一個強引用。當一個對象被強引用變數引用時，它處於可達狀態，它是不可能被垃圾回收機制回收的，即使該對象以後永遠都不會被用到 JVM 也不會回收。因此強引用是造成 Java 記憶體泄漏的主要原因之一，直接new的對象就是強引用的。

軟引用

軟引用需要用 SoftReference 類來實現，對於只有軟引用的對象來說，當系統記憶體足夠時它不會被回收，當系統記憶體空間不足時它會被回收。軟引用通常用在對記憶體敏感的程式中。

弱引用

弱引用需要用 WeakReference 類來實現，它比軟引用的生存期更短，對於只有弱引用的對象來說，只要垃圾回收機制一運行，不管 JVM 的記憶體空間是否足夠，總會回收該對象佔用的記憶體。

虛引用

虛引用需要 PhantomReference 類來實現，它不能單獨使用，必須和引用隊列聯合使用。虛引用的主要作用是跟蹤對象被垃圾回收的狀態。

七、GC 垃圾收集器

Java 堆記憶體被劃分為新生代和年老代兩部分，新生代主要使用複製和標記-清除垃圾回收演算法；年老代主要使用標記-整理垃圾回收演算法，因此 java 虛擬中針對新生代和年老代分別提供了多種不同的垃圾收集器，JDK1.6 中 Sun HotSpot 虛擬機的垃圾收集器如下：

新生代：

Serial 垃圾收集器（單執行緒、複製演算法）

Serial（英文連續）是最基本垃圾收集器，使用複製演算法，曾經是JDK1.3.1 之前新生代唯一的垃圾收集器。Serial 是一個單執行緒的收集器，它不但只會使用一個 CPU 或一條執行緒去完成垃圾收集工作，並且在進行垃圾收集的同時，必須暫停其他所有的工作執行緒，直到垃圾收集結束。 Serial 垃圾收集器雖然在收集垃圾過程中需要暫停所有其他的工作執行緒，但是它簡單高效，對於限定單個 CPU 環境來說，沒有執行緒交互的開銷，可以獲得最高的單執行緒垃圾收集效率，因此 Serial 垃圾收集器依然是 java 虛擬機運行在 Client 模式下默認的新生代垃圾收集器。

　　 2.ParNew 垃圾收集器（Serial+多執行緒）

ParNew 垃圾收集器其實是 Serial 收集器的多執行緒版本，也使用複製演算法，除了使用多執行緒進行垃圾收集之外，其餘的行為和 Serial 收集器完全一樣，ParNew 垃圾收集器在垃圾收集過程中同樣也要暫停所有其他的工作執行緒。 ParNew 收集器默認開啟和 CPU 數目相同的執行緒數，可以通過-XX:ParallelGCThreads 參數來限制垃圾收集器的執行緒數。ParNew雖然是除了多執行緒外和Serial 收集器幾乎完全一樣，但是ParNew垃圾收集器是很多 java 虛擬機運行在 Server 模式下新生代的默認垃圾收集器。

　　3.Parallel Scavenge 收集器（多執行緒複製演算法、高效）

Parallel Scavenge 收集器也是一個新生代垃圾收集器，同樣使用複製演算法，也是一個多執行緒的垃圾收集器，它重點關注的是程式達到一個可控制的吞吐量（Thoughput，CPU 用於運行用戶程式碼的時間/CPU 總消耗時間，即吞吐量=運行用戶程式碼時間/(運行用戶程式碼時間+垃圾收集時間)），高吞吐量可以最高效率地利用 CPU 時間，儘快地完成程式的運算任務，主要適用於在後台運算而不需要太多交互的任務。自適應調節策略也是 ParallelScavenge 收集器與 ParNew 收集器的一個重要區別。

老年代：

　　4.Serial Old 收集器（單執行緒標記整理演算法）

Serial Old 是 Serial 垃圾收集器年老代版本，它同樣是個單執行緒的收集器，使用標記-整理演算法，這個收集器也主要是運行在 Client 默認的 java 虛擬機默認的年老代垃圾收集器。在 Server 模式下，主要有兩個用途：

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

　　　　2. 作為年老代中使用 CMS 收集器的後備垃圾收集方案。

新生代 Parallel Scavenge 收集器與 ParNew 收集器工作原理類似，都是多執行緒的收集器，都使用的是複製演算法，在垃圾收集過程中都需要暫停所有的工作執行緒。

　　5.Parallel Old 收集器（多執行緒標記整理演算法）

Parallel Old 收集器是Parallel Scavenge的年老代版本，使用多執行緒的標記-整理演算法，在 JDK1.6 才開始提供。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，只能保證新生代的吞吐量優先，無法保證整體的吞吐量，Parallel Old 正是為了在年老代同樣提供吞吐量優先的垃圾收集器，如果系統對吞吐量要求比較高，可以優先考慮新生代 Parallel Scavenge 和年老代 Parallel Old 收集器的搭配策略。

　　6.Parallel Old 收集器（多執行緒標記整理演算法）

　　7.CMS 收集器（多執行緒標記清除演算法）

Concurrent mark sweep(CMS)收集器是一種年老代垃圾收集器，其最主要目標是獲取最短垃圾回收停頓時間，和其他年老代使用標記-整理演算法不同，它使用多執行緒的標記-清除演算法。最短的垃圾收集停頓時間可以為交互比較高的程式提高用戶體驗。

　　8.G1 收集器

Garbage first 垃圾收集器是目前垃圾收集器理論發展的最前沿成果，相比與 CMS 收集器，G1 收集器兩個最突出的改進是：

　　　　1. 基於標記-整理演算法，不產生記憶體碎片。

　　　　2. 可以非常精確控制停頓時間，在不犧牲吞吐量前提下，實現低停頓垃圾回收。 G1 收集器避免全區域垃圾收集，它把堆記憶體劃分為大小固定的幾個獨立區域，並且跟蹤這些區域的垃圾收集進度，同時在後台維護一個優先順序列表，每次根據所允許的收集時間，優先回收垃圾最多的區域。區域劃分和優先順序區域回收機制，確保 G1 收集器可以在有限時間獲得最高的垃圾收集效率。

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