jvm学习——垃圾收集浅谈——丑九怪

前言

• java的厉害之处就在于其对内存方面的自动管理。管理无非就是产生、移动或者移除其中的内容。对于内存中再也用不到的东西，当然有必要删除。垃圾收集就是在进行这个“删除”操作
• jvm管理的空间分为五大部分：程序计数器，java栈，本地方法栈，java堆，方法区(java8中去除永久代，方法区中的类的源信息被存放在元空间内，运行时常量池移入java堆，这部分不理解的可以参考我的博文：java内存区域与内存溢出异常)，其中的程序计数器，java栈和本地方法栈随着线程产生和消亡，其中存储的内容相对固定，不作为垃圾回收的目标。而相比java堆和方法区内的内容，由所有线程共用，所以这部分的内存需要动态分配与回收，这就是垃圾回收的目标区域

如何判定内容是否为“垃圾”

• 我们要回收垃圾，首先要确定目标是不是垃圾，jvm提出了两种算法，如下

引用计数法

• 垃圾收集的主要目标区域在java堆中，java堆中对的主要内容是对象(指针)，引用计数法的大致内容是：在对象中添加一个“引用计数器”，每当有一个地方对它进行了引用操作，就将计数器+1，引用失效就给计数器-1，当计数器为0时，表示这个对象已死，表示可回收。
• 这个方法存在漏洞：无法处理两个或多个对象之间的循环引用问题。假设有两个对象，他们之间互相引用，而外界并没有他们的引用，他们的引用计数器始终不为零，也就无法回收。

可达性分析法

• 这个方法是目前的主流方法，它通过一系列称为GC Root的节点为起始点，从他们开始向下搜索，搜索形成“引用链”，凡是不在引用链上的对象，一律被判定为可回收对象(垃圾)，如图所示：对象1， 2， 3， 4均在引用链上，而对象5， 6， 7， 8之间虽然有引用关系，却没有处于任何GC Root下，故：对象5， 6， 7， 8被判定为可回收对象。
  
• GC Root可以有多个，他们产生于以下四种位置：
  虚拟机栈中的引用对象(Reference)
  本地方法栈中引用的对象
  原来方法区中，类静态属性中引用的对象
  方法区中常量引用的对象

对象真正被判定死亡的过程

• 在可达性分析法中，对象一旦退出了引用链，就变为了可回收对象，等待回收。其实在这中间还有一个对象自我拯救的过程。关键在于下面的finalize()方法：
  
• 这个finalize()方法是基类Object类中的方法，在对象被标记为可回收对象时，先进性一轮判断，如果对象覆盖了finalize()方法，并且finalize()方法之前没有被执行，那么这个对象将被放入一个叫做F-Queue的队列中，有专门的的线程Finalizer依次执行F-Queue中对象的finalize()方法(不一定执行完方法或遍历完所有元素)，的当下一次从根节点开始遍历引用链时，如果F-Queue中有对象通过finalize()方法的执行重新回到引用链上，那么这个对象便又“活过来了”。否则，对象基本上真的就被回收了。

回收的算法

• 在判定的对象之后，就要对对象进行回收了，回收的算法大致分为四种：

标记清除算法

• 这个方法是最基础的回收算法。主要思想是将内存中的可回收对象标记，然后清除，不对其他内容作出改变。
• 这样做的弊端：效率低下：标记和清除两个过程的效率都不高
  空间问题：清除后不对内存做出任何改变，以一段时间之后内存会碎片化，导致后面如果要存放较大对象，可能倒追无法存放。

复制算法

• 为了解决上面标记清除法的效率问题，提出复制算法。这个算法的思想：将空间分为两块，只使用一块空间存放对象，当这块空阿需要进行垃圾回收时，将这块空间中有用的对象整齐的放入第二块“空”空间内存中，直接将第一块空间设置为“空”，循环往复。
• 现代商业虚拟机的新生代（后面会解释新生代和老年代）基本采用这种回收算法，后面还提出了这个算法的改进版：因为新生代中的对象大部分都是刚产生不久，就会被回收，如果用原先的复制算法将会降低空间利用率（原因是每次只能用一半空间），所以提出将内存分为一块较大的区域（Eden区）和两块较小的区域（Servior空间），虚拟机默认比例是1:8，如图：
  
• 整个过程是这样的：第一次先使用Eden空间和一块Servior空间存储对象，当需要进行垃圾回收时，将Eden空间和第一块Servior中可以存活的对象复制到另一块Servior空间中，由于是在新时代发生的垃圾回收，所以只有少部分对象会被复制过去，然后将Eden空间标记为空，继续使用Eden空间和第二块Servior空间存放对象，如此循环往复。
• 在上面的过程中，有一个漏洞，就是：如果复制的过程中发现第二块Servior空间不够大，无法存放前面要复制过来的全部对象，怎么办？于是jvm又提出了分配担保机制：将这部分多出来的对象直接存放到老年代。

标记整理法

• 前面提出的复制算法其实也存在弊端，如果不想浪费50%的空间，就需要有多余出来的空间作为分配担保的空间存在。
• 在老年代的回收算法中提出了标记整理法，这个方法是指：在发生回收时，将内存中的存活对象统一向内存的一端进行移动，也就是整理，全部移动完毕之后，将其他部分标记为可用空间

分代收集法

• 分代收集法：顾名思义，对于内存不采用单一方法进行管理，根据对象的特点将内存分为新生代和老年代，分别管理。
• 新生代：这里面的对象大都产生不久，就完成了自己的使命，每次垃圾回收都有大批对象死去。
• 老年代：这里的对象大都是存活了很久的对象，因为一直在被某个地方使用，所以不会轻易被清除，每次垃圾回收变动不大。

上面几种算法的具体实现

• 上面算法实现的前提是：已经可以确定那些对象是已经死亡的，但是怎样判定对象是否死亡，上述给出了两种方法：引用计数法和可达性分析法。这里就讨论一下可达性分析法中的一些细节
• 在可达性分析法中，要先找到GC Root，GC Root多存在于全局性引用(常量和静态变量)和执行上下文(栈帧中本地变量表)，可是遍历这些地方会消耗大量时间，所以jvm提出了一个名为OopMap的数据结构，这个数据结构中存储有可能是GC Root的引用，当需要进行可达性分析时，通过遍历一组OopMap，可以快速完成GC Root的枚举。
• 虽然OopMap很好用，但也毕竟也占用空间，OopMap过多会导致GC的空间成本增加，所以只在特定位置生成OopMap，这里的特定位置有以下几个：
  • 循环的结尾
  • 方法返回前/调用方法指令后
  • 可能抛出异常的位置
• 这些位置被称为安全点：jvm在GC时，需要让所有线程都停止(Stop The World)，如果不停止，有可能会导致引用关系发生变化，GC的准确性无法保证。
• 有关让所有线程都停下来的方式，分为两种：
  • 抢先试中断：让所有线程全部断掉，如果发现其中某个线程不在安全点处，则恢复该线程，让其运行至安全点处后停止。
  • 主动式中断：让所有线程依次访问某个值，当这个值为真，则让自己中断。这个方式是目前的主流方式。

几种垃圾收集器

• 垃圾收集器是jvmGC的主要体现，下面列举出几个垃圾收集器，如图：
  图中的连线表示相连的两个垃圾收集器可以协同工作。
• 这里只大概讲一下G1收集器：这是一款面向服务端应用的垃圾收集器。他有如下特点：
  • G1是一个多线程的收集器，在多CPU的情况下缩短Stop The World的时间。并且G1还允许用户线程与收集器线程并发，只不过用户线程的速度会响应降低
  • 从上图中可以看出，G1实现了分代收集，也就是说，G1可以独自管理java堆等GC区域
  • 从整体上来看，G1是基于标记整理算法实现的收集器
  • 除了追求更小的停顿时间（Stop The World的时间），他还实现了能够让使用者规定GC发生的时机及频率
  • 从内部布局上来讲，G1的内部被分为了一个一个的小块，再将小块分为新生代和老年代。并且它在后台维护了一个优先级列表，列表里将每个小块，根据小块里垃圾堆积的价值大小（如果回收，可以获得多少空间以及回收所要消耗的时长）排列。在回收时，根据优先回收列表，首先回收价值最大的小块(Region)。

内存分配与回收策略

• 对象首先在Eden区分配
• 大对象，直接进入老年代
• 长期存活的对象将进入老年代，jvm给每个对象定义了Age，每进行一次GC就将剩余对象的Age加1，默认加到15时，该对象就会被加入到老年代。
• 动态对象年龄判定：当新生代Servior空间中，有一半以上的对象年龄相同为age，则年龄大于age的对象会被直接移入老年代。