垃圾回收與記憶體分配——總結篇

• 2020 年 7 月 7 日
• 筆記
• JVM, 總結篇

垃圾回收與記憶體分配

• 垃圾回收與記憶體分配
  • 一些基礎
  • 垃圾回收演算法
  • 垃圾回收器
  • 常見問題

一些基礎

• 對象的四種引用類型

  • 強引用，記憶體不足時報錯oom，但不會該類對象
  • 弱引用，當記憶體不足時才會回收
  • 軟引用，不管記憶體是否充足，在gc都會回收
  • 虛引用，任何時候都可以被回收

• 怎麼判斷對象是否仍在使用？

  • 引用計數法
    每個對象有一個引用計數屬性，當被引用時計數+1，當引用釋放時-1。兩個對象互相循環使用時會導致對象無法回收
  • 可達性分析——Java默認
    若從GC Roots向下搜索時，走過的路徑稱為引用鏈。當對象沒有任何引用鏈時代表已不可用。

• 可作為GC Roots的對象有哪幾類？

  • 虛擬機棧中引用的對象
  • 方法區類靜態屬性引用的對象
  • 方法區常量引用的對象
  • 本地方法中引用的對象

• 方法區回收的必要條件

  主要回收兩部分內容：廢棄的常量和不再使用的類型。性價比很低

  • 該類所有實例都已被回收
  • 該類對應的類載入器已被回收（很難）
  • 無法通過反射訪問該類（該類對應的java.lang,Class沒有被引用）

• 安全點和安全區域

  HotSpot沒有為每一條指令生成OopMap，只在「特定位置」記錄了這些資訊（OopMap可理解成附加資訊，對棧內的數據進行說明），這些位置稱為安全點，執行緒在安全點可以被確定，從而確定GC Roots資訊。

  • 安全點特定位置

    1. 循環的末尾
    2. 方法返回前
    3. 調用方法的Call之後
    4. 拋出異常的位置

  • 安全區域

  安全區域是指一段程式碼片中，引用關係不會發生變化，在這個區域任何地方 GC 都是安全的，安全區域可以看做是安全點的一個擴展

  • 執行緒中斷的方式
  1. 主動式：不對執行緒操作，簡單的設置一個標記位，執行緒不斷主動輪詢這個標誌位狀態，為真時，執行緒在最近的安全點掛起
  2. 被動式：系統直接把所有執行緒中斷，如發現有的執行緒不在安全點時，就恢復執行到最近的安全點（不採用）

• 並發情況下的可達性變動解決演算法（G1和cms）

  • 增量空間演算法——CMS
    當出現新的引用對象時，則記錄下該對象，待掃描結束後再以此為根重新掃描一次
  • 原始快照演算法——G1
    當出現刪除引用時，將要刪除的引用記錄下來，待掃描結束後再將該對象為根重新掃描

垃圾回收演算法

• 標記-清除演算法
  標記需要回收的對象或不需要回收的對象，再統一清除。
  缺點：

  1. 效率不穩定，無論標記還是清除，效率都會隨著對象增多而降低
  2. 記憶體空間碎片化

• 標記-複製演算法
  把記憶體空間分為兩塊，每次只使用其中一塊，當該塊記憶體不足後，把存活的對象複製到另一塊，再把原空間一次性清除。
  優點：沒有記憶體碎片。
  缺點：記憶體空間利用率低；當存活對象較多時，效率變低

• 標記-整理演算法
  標記完成後，將存活的對象向一端移動，清除邊界以外的內容
  優點：記憶體規整，對象賦值/創建速度快
  缺點：標記、清理效率不高

• 分代收集

  分代收集是將對象按照存活時間進行分代（新生代和老年代），根據不同區域的特點結合前三種演算法進行收集

  • 新生代，每次垃圾收集都有大量對象死去，選用標記-複製演算法
    

    新生代複製演算法的改進：許多新生代的對象存活時間較短，不需要按照1:1的比例進行複製演算法記憶體分配，可將記憶體分為較大的Eden區和兩塊較小的Survivor，回收時將Eden 和 Survivor 中還存活著的對象一次性地複製到另外一塊 Survivor 空間上，最後清理掉 Eden 和剛才用過的 Survivor 空間

  • 老年代，對象存活率較高，沒有其餘區域可以進行分配擔保，使用標記-清除、標記-整理演算法

垃圾回收器

• 新生代

  • Serial
    串列，標記複製演算法。客戶端默認新生代收集器
  • ParNew
    並行，標記複製演算法；只有ParNew和serial可以配合CMS使用
  • Parallel Scavenge
    並行，標記複製演算法；吞吐量優先收集器，可控制吞吐量（用戶程式碼運行時間/總時間）
    1. 最大垃圾收集停頓時間參數[絕對值]
    2. 垃圾回收時間佔總時間比率參數[相對值]
    3. 自適應調節空間參數[布爾值]，開啟後可自動調節Eden、Survivor區域大小

• 老年代

  • Serial Old
    標記整理演算法，主要供客戶端模式，若用於服務端：與Parallel Scavenge搭配使用；或者作為CMS發生失敗後的與預案
  • Parallel Old
    標記整理演算法，Parallel Scavenge的老年版
  • CMS

• CMS

  響應時間優先，標記清除演算法。多用於B/S架構的服務端上

  • 四個步驟：
    1. 初始標記：STW，只標記GC Roots直接關聯到的對象
    2. 並發標記：與用戶執行緒一起遍歷整個對象圖
    3. 重新標記：STW，修整並發標記期間，因用戶執行緒導致引用變化的部分（增量更新演算法實現）
    4. 並發清除：與用戶執行緒並行，清除已死亡的對象
  • 三個缺點：
    1. 對處理器資源敏感，默認啟動執行緒數（處理器核心數+3）/4
    2. 產生浮動垃圾。並發標記和清除階段會與用戶執行緒一起運行，所以需要預留一部分空間供用戶執行緒使用，當空間不足時，會臨時啟用預案：使用serial old進行標記整理
    3. 標記清除演算法導致記憶體碎片。大對象不夠分配時，觸發full gc耗時。可設置參數，多次清楚後，在下一次full gc前進行一次整理

• G1

  面向整個堆空間的Region布局形式，每個Region都可以扮演Eden、Survivor或老年代空間。允許設定收集停頓時間

  • 四個步驟：
  1. 初始標記：在minor gc階段只標記gc Roots引用的對象，所以不存在停頓
  2. 並發標記：與用戶執行緒並發執行，標記完成後處理SATB（原始快照演算法）記錄在並發時有變動的對象
  3. 最終標記：STW（短暫），處理並髮結束後仍遺留的少量SATB記錄
  4. 篩選回收：STW，對各Region的回收價值與成本進行排序，根據期望停頓時間指定回收計劃。將存活對象複製到空閑Region後，清除原Region

常見問題

• finalize() 方法什麼時候被調用？它的目的是什麼？
  對象被釋放前被垃圾回收器調用，目的是釋放該對象所持有的資源（對外記憶體、長連接等），且該方法只會被調用一次。（不建議使用）
• 為什麼要有不同的引用類型？
  由於gc回收時機不可控，且有時候需要適當的控制對象被回收的時機。比如新建 Person類，每次查詢資訊都需要重新構建實例，對象生命周期過短，引起巨大的消耗。聽過軟引用和HashMap的結合可以構建高速快取，提升性能。