Java虚拟机JVM之垃圾回收策略与算法

本章节主要介绍垃圾回收策略与算法

一、概述

二、判定对象是否存活

1、引用计数法

2、可达性分析法（主流）

三、引用类型

1、强引用（Strong Reference）

2、软引用（Soft Reference）

3、弱引用（Weak Reference）

4、虚引用（Phantom Reference）

四、宣告对象死亡的两次标记过程

1、第一次标记并进行一次筛选。

2、 第二次标记

五、方法区的垃圾回收

六、垃圾回收算法

1、标记-清除算法

2、复制算法（新生代）

3、标记-整理算法（老年代）

4、分代收集算法

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一、概述

程序计数器、虚拟机栈、本地方发栈这三个区域都是线程独有的，随线程而生，也随线程而灭；栈帧随着方法的开始而入栈，随着方法的结束而出栈。这几个区域的内存分配和回收都具备确认性，在这几个区域内不需要过多考虑回收的问题，因为方法结束或者线程结束时，内存自然就跟随着回收了。

而对于 Java 堆和方法区，我们只有在程序运行期间才能知道会创建哪些对象，这部分内存的分配和回收都是动态的，垃圾收集器所关注的正是这部分内存。

哪些内存需要进行回收：Java 堆和方法区。

 

二、判定对象是否存活

什么时候回收对象：若一个对象不被任何对象或变量引用，那么它就是无效对象，需要被回收

1、引用计数法

在对象头维护着一个 引用计数器，对象被引用一次则计数器 +1；若引用失效则计数器 -1。当计数器为 0 时，就认为该对象无效了。

引用计数算法的实现简单，判定效率也很高，在大部分情况下它都是一个不错的算法。但是主流的 Java 虚拟机里没有选用引用计数算法来管理内存，主要是因为它很难解决对象之间循环引用的问题。

注意：对象 objA 和 objB 都有字段 instance，令 objA.instance = objB 并且 objB.instance = objA，由于它们互相引用着对方，导致它们的引用计数都不为 0，于是引用计数算法无法通知 GC 收集器回收它们。

 引用计数法的特点：

•   需要单独的字段存储计数器，增加了存储空间的开销；
•   每次赋值都需要更新计数器，增加了时间开销；
•   垃圾对象便于辨识，只要计数器为0，就可作为垃圾回收；
•   及时回收垃圾，没有延迟性；
•   不能解决循环引用的问题；

2、可达性分析法（主流）

在Java中，是通过可达性分析（Reachability Analysis）来判定对象是否存活的。该算法的基本思路就是通过一些被称为引用链（GC Roots）的对象作为起点，从这些节点开始向下搜索，搜索走过的路径被称为（Reference Chain)，当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连时（即从GC Roots节点到该节点不可达），则证明该对象是不可用的。

GC Roots 是指：

• Java 虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象
• 本地方法栈中引用的对象
• 方法区中常量引用的对象
• 方法区中类静态属性引用的对象

GC Roots 并不包括堆中对象所引用的对象，这样就不会有循环引用的问题。

 

三、引用类型

判定对象是否存活与“引用”有关。在 JDK 1.2 以前，Java 中的引用定义很传统，一个对象只有被引用或者没有被引用两种状态，我们希望能描述这一类对象：当内存空间还足够时，则保留在内存中；如果内存空间在进行垃圾手收集后还是非常紧张，则可以抛弃这些对象。很多系统的缓存功能都符合这样的应用场景。

在 JDK 1.2 之后，Java 对引用的概念进行了扩充，将引用分为了以下四种。不同的引用类型，主要体现的是对象不同的可达性状态reachable和垃圾收集的影响。

1、强引用（Strong Reference）

类似 "Object obj = new Object()" 这类的引用，就是强引用，只要强引用存在，垃圾收集器永远不会回收被引用的对象。但是，如果我们错误地保持了强引用，比如：赋值给了 static 变量，那么对象在很长一段时间内不会被回收，会产生内存泄漏。也就是说，宁愿出现内存溢出，也不会回收这些对象。

2、软引用（Soft Reference）

软引用是一种相对强引用弱化一些的引用，可以让对象豁免一些垃圾收集，只有当 JVM 认为内存不足时，才会去试图回收软引用指向的对象。JVM 会确保在抛出 OutOfMemoryError 之前，清理软引用指向的对象。软引用通常用来实现内存敏感的缓存，如果还有空闲内存，就可以暂时保留缓存，当内存不足时清理掉，这样就保证了使用缓存的同时，不会耗尽内存。比如网页缓存、图片缓存等。

import java.lang.ref.SoftReference;
 
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
         
        SoftReference sr = new SoftReference(new String("hello"));
        System.out.println(sr.get());
    }
}

3、弱引用（Weak Reference）

弱引用的强度比软引用更弱一些；被弱引用引用的对象只能生存到下一次垃圾收集前，一旦发生垃圾收集，被弱引用所引用的对象就会被清掉

import java.lang.ref.WeakReference;
 
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
     
        WeakReference sr = new WeakReference(new String("hello"));
         
        System.out.println(sr.get());
        System.gc();                //通知JVM的gc进行垃圾回收
        System.out.println(sr.get());
    }
}

注意：在使用软引用和弱引用的时候，我们可以显示地通过System.gc()来通知JVM进行垃圾回收，但是要注意的是，虽然发出了通知，JVM不一定会立刻执行，也就是说这句是无法确保此时JVM一定会进行垃圾回收的。 

 

4、虚引用（Phantom Reference）

虚引用也称幽灵引用或者幻影引用，它是最弱的一种引用关系。一个对象是否有虚引用的存在，完全不会对其生存时间构成影响。它仅仅是提供了一种确保对象被 finalize 以后，做某些事情的机制，比如，通常用来做所谓的 Post-Mortem 清理机制。

要注意的是，虚引用必须和引用队列关联使用，当垃圾回收器准备回收一个对象时，如果发现它还有虚引用，就会把这个虚引用加入到与之 关联的引用队列中。程序可以通过判断引用队列中是否已经加入了虚引用，来了解被引用的对象是否将要被垃圾回收。如果程序发现某个虚引用已经被加入到引用队列，那么就可以在所引用的对象的内存被回收之前采取必要的行动。

import java.lang.ref.PhantomReference;
import java.lang.ref.ReferenceQueue;
 
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue();
        PhantomReference pr = new PhantomReference(new String("hello"), queue);
        System.out.println(pr.get());
    }
}

注意：虚引用中有一个构造函数，可以看出，其必须和一个引用队列一起存在。get()方法永远返回null，因为虚引用永远不可达

 

四、宣告对象死亡的两次标记过程

即使在可达性分析算法中不可达的对象，也并非是“非死不可”的，这时候它们暂时处于“缓刑”阶段，要真正宣告一个对象死亡，至少要经历再次标记过程。标记的前提是对象在进行可达性分析后发现没有与GC Roots相连接的引用链。
 

1、第一次标记并进行一次筛选。

筛选的条件是此对象是否有必要执行finalize()方法；当对象没有覆盖finalize方法，或者finzlize方法已经被虚拟机调用过，虚拟机将这两种情况都视为“没有必要执行”，对象被回收。
 

2、 第二次标记

如果这个对象被判定为有必要执行finalize（）方法，那么这个对象将会被放置在一个名为：F-Queue的队列之中，并在稍后由一条虚拟机自动建立的、低优先级的Finalizer线程去执行。这里所谓的“执行”是指虚拟机会触发这个方法，但并不承诺会等待它运行结束。这样做的原因是，如果一个对象finalize（）方法中执行缓慢，或者发生死循环（更极端的情况），将很可能会导致F-Queue队列中的其他对象永久处于等待状态，甚至导致整个内存回收系统崩溃。finalize（）方法是对象脱逃死亡命运的最后一次机会，稍后GC将对F-Queue中的对象进行第二次小规模标记，如果对象要在finalize（）中成功拯救自己----只要重新与引用链上的任何的一个对象建立关联即可，譬如把自己赋值给某个类变量或对象的成员变量，那在第二次标记时它将移除出“即将回收”的集合。如果对象这时候还没逃脱，那基本上它就真的被回收了。

注意：

• 任何一个对象的 finalize() 方法只会被系统自动调用一次，如果对象面临下一次回收，它的 finalize() 方法不会被再次执行，想继续在 finalize() 中自救就失效了
• finalize() 方法能做的，try-finally 都能做，所以忘了这个方法吧！

 

五、方法区的垃圾回收

方法区中存放生命周期较长的类信息、常量、静态变量，每次垃圾收集只有少量的垃圾被清除。方法区中主要清除两种垃圾：

• 废弃常量：例如一个“abc”字符串常量存在常量池中，但没有任何String类型对象引用常量池中的这个常量，也没有其它地方引用了这个常量，如果必要的话，这个常量也会被系统清理出常量池；常量池中的其他类（接口）、方法、字段的符号引用也与此类似
• 无用的类：同时满足以下 3 个条件的类。
  • 该类的所有实例已被回收，Java 堆中不存在该类的任何实例；
  • 加载该类的 Classloader 已被回收；
  • 该类的 Class 对象没有被任何地方引用，即无法在任何地方通过反射访问该类的方法。

注意：

• 虚拟机是可以对满足上述3个条件的类进行回收，仅仅是“可以”，并不是和对象一样，不使用了就必然回收。是否对类进行回收，HotSpot虚拟机提供了-Xnoclassgc参数进行控制
•  在大量使用反射、动态代理、CGLib等ByteCode框架、动态生成JSP以及OSGi这类频繁自定义ClassLoader的场景都需要虚拟机具备类卸载的功能，以保证永久代不会溢出。

六、垃圾回收算法

1、标记-清除算法

标记：遍历所有的 GC Roots，然后将所有 GC Roots 可达的对象标记为存活的对象。

清除：将遍历堆中所有的对象，将没有标记的对象全部清除掉。与此同时，清除那些被标记过的对象的标记，以便下次的垃圾回收。

不足：

• 效率问题：标记和清除两个过程的效率都不高。
• 空间问题：标记清除之后会产生大量不连续的内存碎片，碎片太多可能导致以后需要分配较大对象时，无法找到足够的连续内存而不得不提前触发另一次垃圾收集动作。

 

标记-清除算法

2、复制算法（新生代）

为了解决效率问题，“复制”收集算法出现了。它将可用内存按容量划分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块。当这一块内存用完，需要进行垃圾收集时，就将存活者的对象复制到另一块上面，然后将第一块内存全部清除。这种算法有优有劣：

• 优点：不会有内存碎片的问题。
• 缺点：内存缩小为原来的一半，浪费空间。

复制算法

 

为了解决空间利用率问题，可以将内存分为三块： Eden、From Survivor、To Survivor，比例是 8:1:1，每次使用 Eden 和其中一块 Survivor。回收时，将 Eden 和 Survivor 中还存活的对象一次性复制到另外一块 Survivor 空间上，最后清理掉 Eden 和刚才使用的 Survivor 空间。这样只有 10% 的内存被浪费。但是我们无法保证每次回收都只有不多于 10% 的对象存活，当 Survivor 空间不够，需要依赖其他内存（指老年代）进行分配担保。

分配担保：为对象分配内存空间时，如果 Eden+Survivor 中空闲区域无法装下该对象，会触发 MinorGC 进行垃圾收集。但如果 Minor GC 过后依然有超过 10% 的对象存活，这样存活的对象直接通过分配担保机制进入老年代，然后再将新对象存入 Eden 区。

3、标记-整理算法（老年代）

标记：它的第一个阶段与标记/清除算法是一模一样的，均是遍历 GC Roots，然后将存活的对象标记。

整理：移动所有存活的对象，且按照内存地址次序依次排列，然后将末端内存地址以后的内存全部回收。因此，第二阶段才称为整理阶段。

这是一种老年代的垃圾收集算法。老年代的对象一般寿命比较长，因此每次垃圾回收会有大量对象存活，如果采用复制算法，每次需要复制大量存活的对象，效率很低。

标记整理算法

 

4、分代收集算法

根据对象存活周期的不同，将内存划分为几块。一般是把 Java 堆分为新生代和老年代，针对各个年代的特点采用最适当的收集算法。

• 新生代： GC 过后只有少量对象存活 —— 复制算法
• 老年代： GC 过后对象存活率高 —— 标记 - 整理算法