这次我们主要关注的是黄色部分,内存的分配与回收
众所周知,Java 和 C++语言的区别,就在于垃圾收集技术和内存动态分配上,C语言没有垃圾收集技术,需要我们手动的收集。
垃圾收集,不是Java语言的伴生产物。早在1960年,第一门开始使用内存动态分配和垃圾收集技术的Lisp语言诞生。 关于垃圾收集有三个经典问题:
垃圾收集机制是 Java 的招牌能力,极大地提高了开发效率。如今,垃圾收集几乎成为现代语言的标配,即使经过如此长时间的发展,Java的垃圾收集机制仍然在不断的演进中,不同大小的设备、不同特征的应用场景,对垃圾收集提出了新的挑战,这当然也是面试的热点。
一些大厂面试题:
system.gc()
和runtime.gc()
会做什么事情垃圾是指在运行程序中没有任何指针指向的对象,这个对象就是需要被回收的垃圾。
如果不及时对内存中的垃圾进行清理,那么,这些垃圾对象所占的内存空间会一直保留到应用程序的结束,被保留的空间无法被其它对象使用,甚至可能导致内存溢出。
对于高级语言来说,一个基本认知是如果不进行垃圾回收,内存迟早都会被消耗完,因为不断地分配内存空间而不进行回收,就好像不停地生产生活垃圾而从来不打扫一样。
除了释放没用的对象,垃圾回收也可以清除内存里的记录碎片。碎片整理将所占用的堆内存移到堆的一端,以便JVM将整理出的内存分配给新的对象。
随着应用程序所应付的业务越来越庞大、复杂,用户越来越多,没有GC就不能保证应用程序的正常进行。而经常造成STW的GC又跟不上实际的需求,所以才会不断地尝试对GC进行优化。
在早期的C/C++时代,垃圾回收基本上是手工进行的。
开发人员可以使用new关键字
进行内存申请
,并使用delete
关键字进行内存释放
。比如以下代码:
MibBridge *pBridge= new cmBaseGroupBridge();
// 如果注册失败,使用 Delete 释放该对象所占内存区域
if(pBridge->Register(kDestroy)!=NO_ERROR)
delete pBridge;
这种方式可以灵活控制内存释放的时间,但是会给开发人员带来频繁申请和释放内存的管理负担。
倘若有一处内存区间由于程序员编码的问题忘记被回收,那么就会产生内存泄漏(对象不用了,但是也没办法回收),垃圾对象永远无法被清除;
随着系统运行时间的不断增长,垃圾对象所耗内存可能持续上升,直到出现内存溢出并造成应用程序崩溃。
有了垃圾回收机制后,上述代码极有可能变成这样
MibBridge *pBridge=new cmBaseGroupBridge();
pBridge->Register(kDestroy);
现在,除了Java以外,C#、Python、Ruby等语言都使用了自动垃圾回收的思想,也是未来发展趋势,可以说这种自动化的内存分配和来及回收方式已经成为了线代开发语言必备的标准。
优点
自动内存管理,无需开发人员手动参与内存的分配与回收,这样降低内存泄漏和内存溢出的风险
没有垃圾回收器,java也会和cpp一样,各种悬垂指针,野指针,泄露问题让你头疼不已。
自动内存管理机制,将程序员从繁重的内存管理中释放出来,可以更专心地专注于业务开发
Oracle官网关于垃圾回收的介绍 https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/guides/vm/gctuning/toc.html
担忧
对于Java开发人员而言,自动内存管理就像是一个黑匣子,如果过度依赖于“自动”,那么这将会是一场灾难,最严重的就会弱化Java开发人员在程序出现内存溢出时定位问题和解决问题的能力。
此时,了解JVM的自动内存分配和内存回收原理就显得非常重要,只有在真正了解JVM是如何管理内存后,我们才能够在遇见OutOfMemoryError
时,快速地根据错误异常日志定位问题和解决问题。
当需要排查各种内存溢出、内存泄漏问题时,当垃圾收集成为系统达到更高并发量的瓶颈时,我们就必须对这些“自动化”的技术实施必要的监控和调节。
GC主要关注的区域
垃圾收集器可以对年轻代回收,也可以对老年代回收,甚至是全栈和方法区的回收
从次数上讲:
Young
区Old
区Perm
永久区(元空间)在堆里存放着几乎所有的Java对象实例,在GC执行垃圾回收之前,首先需要区分出内存中哪些是存活对象,哪些是已经死亡的对象。
只有被标记为己经死亡的对象,GC才会在执行垃圾回收时,释放掉其所占用的内存空间,因此这个过程我们可以称为垃圾标记阶段。
那么在JVM中究竟是如何标记一个死亡对象呢?
判断对象存活一般有两种方式:引用计数算法和可达性分析算法。
引用计数算法(Reference Counting)比较简单,对每个对象保存一个整型的引用计数器属性,用于记录对象被引用的情况。
优点
缺点
循环引用
p指针
断开的时候,内部的引用形成一个循环(称为循环引用),从而造成内存泄漏举个例子:我们使用一个案例来测试Java中是否采用的是引用计数算法
/**
* 引用计数算法测试
* -XX:+PrintGCDetails
*/
public class RefCountGC {
// 这个成员属性的唯一作用就是占用一点内存
// 如果没有被回收,堆内存的占用空间肯定大于这个
private byte[] bigSize = new byte[5*1024*1024]; // 5MB
// 引用
Object reference = null;
public static void main(String[] args) {
RefCountGC obj1 = new RefCountGC();
RefCountGC obj2 = new RefCountGC();
// 循环引用
obj1.reference = obj2;
obj2.reference = obj1;
// 指针断开
obj1 = null;
obj2 = null;
// 显示执行垃圾收集行为
// 这里发生 GC,obj1 和 obj2是否被回收?
System.gc();
}
}
查看打印的 GC 信息
[GC (System.gc()) [PSYoungGen: 15490K->808K(76288K)] 15490K->816K(251392K), 0.0061980 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.36 secs]
[Full GC (System.gc()) [PSYoungGen: 808K->0K(76288K)] [ParOldGen: 8K->672K(175104K)] 816K->672K(251392K), [Metaspace: 3479K->3479K(1056768K)], 0.0045983 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
Heap
PSYoungGen total 76288K, used 655K [0x000000076b500000, 0x0000000770a00000, 0x00000007c0000000)
eden space 65536K, 1% used [0x000000076b500000,0x000000076b5a3ee8,0x000000076f500000)
from space 10752K, 0% used [0x000000076f500000,0x000000076f500000,0x000000076ff80000)
to space 10752K, 0% used [0x000000076ff80000,0x000000076ff80000,0x0000000770a00000)
ParOldGen total 175104K, used 672K [0x00000006c1e00000, 0x00000006cc900000, 0x000000076b500000)
object space 175104K, 0% used [0x00000006c1e00000,0x00000006c1ea8070,0x00000006cc900000)
Metaspace used 3486K, capacity 4496K, committed 4864K, reserved 1056768K
class space used 385K, capacity 388K, committed 512K, reserved 1048576K
655K
)小结
引用计数算法,是很多语言的资源回收选择,例如因人工智能而更加火热的Python,它更是同时支持引用计数和垃圾收集机制。
具体哪种最优是要看场景的,业界有大规模实践中仅保留引用计数机制,以提高吞吐量的尝试。
Java并没有选择引用计数,是因为其存在一个基本的难题,也就是很难处理循环引用关系。Python如何解决循环引用?
weakref
,weakref
是Python提供的标准库,旨在解决循环引用。概念
可达性分析算法:也可以称为 根搜索算法、追踪性垃圾收集
相对于引用计数算法而言,可达性分析算法不仅同样具备实现简单和执行高效等特点,更重要的是该算法可以有效地解决在引用计数算法中循环引用的问题,防止内存泄漏的发生。
相较于引用计数算法,这里的可达性分析就是Java、C#选择的。这种类型的垃圾收集通常也叫作追踪性垃圾收集(TGC 、 Tracing Garbage Collection
)
思路
所谓"GCRoots
”根集合就是一组必须活跃的引用。
基本思路:
例如之前很火的电视剧《人民的名义》中的人物关系
GC Roots 可以是哪些?
synchronized
持有的对象NullPointerException
、OutOfMemoryError
),系统类加载器。Java虚拟机
内部情况的JMXBean
、JVMTI
中注册的回调、本地代码缓存等。总结
总结一句话就是,除了堆空间外的一些结构,比如 虚拟机栈、本地方法栈、方法区、字符串常量池 等地方对堆空间进行引用的,都可以作为GC Roots进行可达性分析
除了这些固定的GC Roots集合以外,根据用户所选用的垃圾收集器以及当前回收的内存区域不同,还可以有其他对象“临时性”地加入,共同构成完整GC Roots集合。比如:分代收集和局部回收(PartialGC)。
小技巧
由于Root采用栈方式存放变量和指针,所以如果一个指针,它保存了堆内存里面的对象,但是自己又不存放在堆内存里面,那它就是一个Root。
注意
如果要使用可达性分析算法来判断内存是否可回收,那么分析工作必须在一个能保障一致性的快照中进行。
Java语言提供了对象终止(finalization
)机制来允许开发人员提供对象被销毁之前的自定义处理逻辑。
当垃圾回收器发现没有引用指向一个对象,即:垃圾回收此对象之前,总会先调用这个对象的finalize()
方法。
finalize()
方法允许在子类中被重写,用于在对象被回收时进行资源释放。
注意
永远不要主动调用某个对象的finalize()
方法应该交给垃圾回收机制调用。理由包括下面三点:
finalize()
时可能会导致对象复活。finalize()
方法的执行时间是没有保障的,它完全由GC线程决定,极端情况下,若不发生GC,则finalize()
方法将没有执行机会。
finalize()
会严重影响GC
的性能。从功能上来说,finalize()
方法与 c++ 中的析构函数比较相似,但是Java采用的是基于垃圾回收器的自动内存管理机制,所以finalize()
方法在本质上不同于C++中的析构函数。
由于finalize()
方法的存在,虚拟机中的对象一般处于三种可能的状态。
生存还是死亡?
如果从所有的根节点都无法访问到某个对象,说明对象己经不再使用了。一般来说,此对象需要被回收。
但事实上,也并非是“非死不可”的,这时候它们暂时处于“缓刑”阶段。
一个无法触及的对象有可能在某一个条件下“复活”自己,如果这样,那么对它的回收就是不合理的,为此,定义虚拟机中的对象可能的三种状态。
finalize()
中复活。finalize()
被调用,并且没有复活,那么就会进入不可触及状态。
finalize()
只会被调用一次。以上3种状态中,是由于finalize()
方法的存在,进行的区分。只有在对象不可触及时才可以被回收。
具体过程
判定一个对象 objA 是否可回收,至少要经历两次标记过程:
如果对象 objA 到 GC Roots 没有引用链,则进行第一次标记。
进行筛选,判断此对象是否有必要执行 finalize()方法
F-Queue
队列中,由一个虚拟机自动创建的、低优先级的Finalizer线程
触发其 finalize()方法执行。F-Queue
队列中的对象进行第二次标记。如果 objA 在 finalize() 方法中与引用链上的任何一个对象建立了联系,那么在第二次标记时,objA 会被移出“即将回收”集合。之后,对象会再次出现没有引用存在的情况。在这个情况下,finalize方法 不会被再次调用,对象会直接变成不可触及的状态,也就是说,一个对象的finalize方法只会被调用一次。代码演示
我们使用重写 finalize()
方法,然后在方法的内部,重写将其存放到 GC Roots 中
/**
* 测试Object类中finalize()方法
* 对象复活场景
*/
public class CanReliveObj {
// 类变量,属于GC Roots的一部分
public static CanReliveObj canReliveObj;
// 所有类的父类都是 Object,所以可以直接重写
@Override
protected void finalize() throws Throwable {
super.finalize();
System.out.println("调用当前类重写的finalize()方法");
canReliveObj = this; // 当前待回收的对象在 finalize() 方法中与引用链上的任何一个对象建立了联系
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
canReliveObj = new CanReliveObj();
canReliveObj = null;
System.gc();
System.out.println("-----------------第一次gc操作------------");
// 因为 Finalizer 线程的优先级比较低,暂停 2秒,以等待它
Thread.sleep(2000);
if (canReliveObj == null) {
System.out.println("obj is dead");
} else {
System.out.println("obj is still alive");
}
System.out.println("-----------------第二次gc操作------------");
canReliveObj = null;
System.gc();
// 下面代码和上面代码是一样的,但是 canReliveObj却自救失败了
Thread.sleep(2000);
if (canReliveObj == null) {
System.out.println("obj is dead");
} else````{
System.out.println("obj is still alive");
}
}
}
// 运行结果
-----------------第一次gc操作------------
调用当前类重写的finalize()方法
obj is still alive
-----------------第二次gc操作------------
obj is dead
在进行第一次清除的时候,我们会执行finalize方法
,然后 对象 进行了一次自救操作
,但是因为finalize()
方法只会被调用一次
,因此第二次该对象将会被垃圾清除
。
MAT是什么?
MAT是Memory Analyzer
的简称,它是一款功能强大的 Java堆内存分析器。用于查找内存泄漏以及查看内存消耗情况。
命令行使用
jmap
获得Dump
文件
使用 JVIsualVM 获取 Dump 文件
捕获的heap dump文件是一个临时文件(快照),关闭JVisualVM后自动删除,若要保留,需要将其另存为文件。可通过以下方法捕获heap dump:
在左侧“Application
"(应用程序)子窗口中右击相应的应用程序,选择Heap Dump
(堆Dump)。
在Monitor
(监视)子标签页中点击Heap Dump
(堆Dump)按钮。本地应用程序的Heap dumps
作为应用程序标签页的一个子标签页打开。同时,heap dump
在左侧的Application
(应用程序)栏中对应一个含有时间戳的节点。
右击这个节点选择save as
(另存为)即可将heap dump
保存到本地。
使用 MAT 打开Dump文件,查看堆信息
打开后,我们就可以看到有哪些可以作为GC Roots的对象
JProfiler 的 GC Roots溯源
我们在实际的开发中,一般不会查找全部的GC Roots,可能只是查找某个对象的整个链路,称为GC Roots 溯源,这个时候,我们就可以使用JProfiler
点击Live memory -> All Objects
,右侧窗口中选中要溯源的对象,单击右键,Show Selection In Heap Walker
,右侧窗口上测点击References
即可看到。
如何判断什么原因造成OOM ?(通过 JProfiler)
当我们程序出现OOM的时候,我们就需要进行排查,需要看某一个对象的引用链,从源头切断引用,避免内存泄漏。
我们首先使用下面的例子进行说明
/**
* 内存溢出排查
* -Xms8m -Xmx8m -XX:HeapDumpOnOutOfMemoryError
*/
public class HeapOOM {
// 创建1M的文件
byte [] buffer = new byte[1 * 1024 * 1024];
public static void main(String[] args) {
ArrayList<HeapOOM> list = new ArrayList<>();
int count = 0;
try {
// 不断加入列表中
while (true) {
list.add(new HeapOOM());
count++;
}
} catch (Exception e) {
e.getStackTrace();
System.out.println("count:" + count);
}
}
}
上述代码就是不断的创建一个1M
小字节数组,然后让内存溢出,我们需要限制一下内存大小,同时使用HeapDumpOnOutOfMemoryError
将出错时候的 Dump文件 输出:-Xms8m -Xmx8m -XX:HeapDumpOnOutOfMemoryError
我们将生成的 dump文件 打开,然后点击Biggest Objects
就能够看到超大对象
然后我们通过线程,还能够定位到哪里出现OOM
当成功区分出内存中存活对象和死亡对象后,GC接下来的任务就是执行垃圾回收,释放掉无用对象所占用的内存空间,以便有足够的可用内存空间为新对象分配内存。
目前在JVM中比较常见的三种垃圾收集算法是
标记-清除算法(Mark-Sweep
)是一种非常基础和常见的垃圾收集算法,该算法被J.McCarthy
等人在1960年提出并并应用于Lisp语言
。
执行过程
当堆中的有效内存空间(available memory)被耗尽的时候,就会停止整个程序(也被称为stop the world),然后进行两项工作,第一项则是标记,第二项则是清除
可达对象
。
Header
中没有标记为可达对象,则将其回收什么是清除?
这里所谓的清除并不是真的置空,而是把需要清除的对象地址保存在空闲的地址列表里。下次有新对象需要加载时,判断垃圾的位置空间是否够,如果够,就存放覆盖原有的地址。
关于空闲列表是在为对象分配内存的时候 提过
缺点
背景
为了解决标记-清除算法在垃圾收集效率方面的缺陷,M.L.Minsky
于1963
年发表了著名的论文,“使用双存储区的 Lisp 语言垃圾收集器(A LISP Garbage Collector Algorithm Using Serial Secondary Storage
)”。
M.L.Minsky在该论文中描述的算法被人们称为复制(Copying)算法,它也被M.L.Minsky
本人成功地引入到了 Lisp 语言的一个实现版本中。
核心思想
将活着的内存空间分为两块,每次只使用其中一块,在垃圾回收时将正在使用的内存中的存活对象复制到未被使用的内存块中,之后清除正在使用的内存块中的所有对象,交换两个内存的角色,最后完成垃圾回收。
把可达的对象,直接复制到另外一个区域中复制完成后,A区就没有用了,里面的对象可以直接清除掉,其实新生代(幸存者0区和1区)里面就用到了复制算法
优点
缺点
region
(分区)的GC,复制而不是移动,意味着GC需要维护region之间对象引用关系,不管是内存占用或者时间开销也不小,即当复制移动的时候,需要维护引用对象的地址,如果使用句柄访问就能提高一定的效率,关于句柄访问详情可看对象的访问定位。需要注意的问题!!
如果系统中的垃圾对象很多,复制算法就不会很理想,因为复制算法需要复制的存活对象数量并不会太大,或者说非常低才行
例如老年代大量的对象存活,那么复制的对象将会有很多,效率会很低(极端情况就是什么垃圾都没回收,还全部都复制了一遍)
在新生代,对常规应用的垃圾回收,一次通常可以回收70% - 99% 的内存空间。回收性价比很高。所以现在的商业虚拟机都是用这种收集算法回收新生代。
标记 - 压缩
算法(也称标记 - 整理
算法)Mark - Compact
背景
复制算法的高效性是建立在存活对象少、垃圾对象多的前提下的。
标记一清除算法的确可以应用在老年代中,但是该算法不仅执行效率低下,而且在执行完内存回收后还会产生内存碎片,所以 JVM 的设计者需要在此基础之上进行改进
。标记-压缩(Mark-Compact
)算法由此诞生。
1970年前后,G.L.Steele、C.J.Chene和D.s.Wise
等研究者发布标记-压缩算法。在许多现代的垃圾收集器中,人们都使用了标记-压缩算法或其改进版本。
执行过程
虽说是标记清理算法的改进版,那两者之间有什么区别呢?
标记-压缩算法的最终效果等同于标记-清除算法执行完成后,再进行一次内存碎片整理,因此,也可以把它称为标记-清除-压缩(Mark-Sweep-Compact
)算法。
二者的本质差异在于标记-清除算法是一种非移动式的回收算法,标记-压缩是移动式的。
优点
缺点
标记压缩算法相当于是一个折中的算法
效率上来说,复制算法是当之无愧的老大,但是却浪费了太多内存。
而为了尽量兼顾上面提到的三个指标,标记-整理算法相对来说更平滑一些
但是效率上不尽如人意,它比复制算法多了一个标记的阶段,比标记-清除多了一个整理内存的阶段。
也比复制算法节省了空间,比标记-清除算法少维护了一个空闲列表
综合来说,没有最好的算法,只有最合适的算法
标记 - 清除 | 标记 - 整理 | 复制算法 | |
---|---|---|---|
速度(三者相对) | 中等 | 最慢 | 最快 |
空间开销 | 少(但是会堆积碎片) | 少(不堆积碎片) | 桶长需要活对象的2倍空间(不堆积碎片) |
移动对象 | 否 | 是 | 是 |
分代收集算法,是基于这样一个事实:不同的对象的生命周期是不一样的。
因此,不同生命周期的对象可以采取不同的收集方式,以便提高回收效率。
在Java程序运行的过程中,会产生大量的对象,其中有些对象是与业务信息相关,比如 HTTP 请求中的Session对象、线程、Socket连接,这类对象跟业务直接挂钩,因此生命周期比较长。
但是还有一些对象,主要是程序运行过程中生成的临时变量,这些对象生命周期会比较短,比如:String对象,由于其不变类的特性,系统会产生大量的这些对象,有些对象甚至只用一次即可回收。
目前几乎所有的GC都采用分代手机算法执行垃圾回收的
在 HotSpot 中,基于分代的概念,GC所使用的内存回收算法必须结合年轻代和老年代各自的特点。
年轻代(Young Gen)
年轻代特点:区域相对老年代较小,对象生命周期短、存活率低,回收频繁。
这种情况复制算法的回收整理,速度是最快的。复制算法的效率只和当前存活对象大小有关,因此很适用于年轻代的回收。
而复制算法内存利用率不高的问题,通过 HotSpot 中的两个 Survivor 的设计得到缓解。
老年代(Tenured Gen)
老年代特点:区域较大,对象生命周期长、存活率高,回收不及年轻代频繁。
这种情况存在大量存活率高的对象,复制算法明显变得不合适。一般是由标记-清除或者是标记-清除与标记-整理的混合实现。
以 HotSpot 中的 CMS回收器 为例,CMS 是基于 Mark-Sweep 实现的,对于对象的回收效率很高。而对于碎片问题, CMS 采用基于 Mark-Compact 算法的 Serial old 回收器 作为补偿措施:
Concurrent Mode Failure
时),将采用 Serial old 执行 FullGC 以达到对老年代内存的整理。分代的思想被现有的虚拟机广泛使用。几乎所有的垃圾回收器都区分新生代和老年代
减少垃圾回收过程中因 STW 而产生的影响
概述
上述现有的算法,在垃圾回收过程中,应用软件将处于一种 Stop the World 的状态。在 Stop the World 状态下,应用程序所有的线程都会挂起,暂停一切正常的工作,等待垃圾回收的完成。
如果垃圾回收时间过长,应用程序会被挂起很久,将严重影响用户体验或者系统的稳定性。为了解决这个问题,即对实时垃圾收集算法的研究直接导致了增量收集(Incremental Collecting)算法的诞生。
如果一次性将所有的垃圾进行处理,需要造成系统长时间的停顿,那么就可以让垃圾收集线程和应用程序线程交替执行。每次,垃圾收集线程只收集一小片区域的内存空间,接着切换到应用程序线程。依次反复,直到垃圾收集完成
。
总的来说,增量收集算法的基础仍是传统的标记-清除和复制算法。增量收集算法通过对线程间冲突的妥善处理,允许垃圾收集线程以分阶段的方式完成标记、清理或复制工作
优缺点
使用这种方式,由于在垃圾回收过程中,间断性地还执行了应用程序代码,所以能减少系统的停顿时间。
但是,因为线程切换和上下文转换的消耗,会使得垃圾回收的总体成本上升,造成系统吞吐量的下降。
一般来说,在相同条件下,堆空间越大,一次 GC 时所需要的时间就越长,有关GC产生的停顿也越长。
为了更好地控制 GC 产生的停顿时间,将一块大的内存区域分割成多个小块,根据目标的停顿时间,每次合理地回收若干个小区间,而不是整个堆空间,从而减少一次GC所产生的停顿。
分代算法将按照对象的生命周期长短划分成两个部分;
分区算法将整个堆空间划分成连续的不同小区间。
注意,这些只是基本的算法思路,实际GC实现过程要复杂的多,目前还在发展中的前沿GC都是复合算法,并且并行和并发兼备。
在默认情况下,通过system.gc()
或者Runtime.getRuntime().gc()
的调用,会显式触发FullGC,同时对老年代和新生代进行回收,尝试释放被丢弃对象占用的内存。
然而system.gc()
调用附带一个免责声明,无法保证对垃圾收集器的调用。(不能确保立即生效)
JVM实现者可以通过system.gc()
调用来决定JVM的GC行为。而一般情况下,垃圾回收应该是自动进行的,无须手动触发,否则就太过于麻烦了。
System.gc()
代码演示是否出发GC操作
/**
* System.gc()
* -XX:+PrintGCDetails
*/
public class SystemGCTest {
public static void main(String[] args) {
new SystemGCTest();
// 提醒JVM进行垃圾回收,但是并不一定会马上执行 gc
// 底层调用 Runtime.getRuntime().gc()
System.gc(); // 执行结果也确实证明不一定及时进行 GC
//System.runFinalization(); // 如果执行这行,就一定会调用下面的方法
}
@Override
protected void finalize() throws Throwable {
super.finalize();
System.out.println("SystemGCTest 执行了 finalize方法");
}
}
// 输出
SystemGCTest 执行了 finalize方法
当调用System.gc();
时不一定会触发销毁的方法,但是调用System.runFinalization()
会强制调用 失去引用的对象的finalize()
手动 GC 来理解不可达对象的回收
/**
* 局部变量回收
*/
public class LocalVarGC {
/**
* 触发 Minor GC 没有回收对象,然后触发 Full GC 将该对象存入 old区
*/
public void localvarGC1() {
byte[] buffer = new byte[10*1024*1024]; // 10M
System.gc();
}
/**
* 触发 YoungGC 的时候,已经被回收了
*/
public void localvarGC2() {
byte[] buffer = new byte[10*1024*1024];
buffer = null; // 失去引用对象了
System.gc();
}
/**
* 不会被回收,因为它还存放在局部变量表索引为 1 的槽中(Slot复用)
*/
public void localvarGC3() {
// 代码块中的对象
{
byte[] buffer = new byte[10*1024*1024];
}
System.gc();
}
/**
* 会被回收,因为它还存放在局部变量表索引为1的槽中,但是后面定义的value把这个槽给替换了
*/
public void localvarGC4() {
{
byte[] buffer = new byte[10*1024*1024];
}
// 多定义了一个变量
int value = 10;
System.gc();
}
/**
* localvarGC5中的数组已经被回收
*/
public void localvarGC5() {
localvarGC1();
System.gc();
}
// main方法调用执行
public static void main(String[] args) {
LocalVarGC localVarGC = new LocalVarGC();
localVarGC.localvarGC3();
}
}
内存溢出 OOM
内存溢出相对于内存泄漏来说,尽管更容易被理解,但是同样的,内存溢出也是引发程序崩溃的罪魁祸首之一。
由于GC一直在发展,所有一般情况下,除非应用程序占用的内存增长速度非常快,造成垃圾回收已经跟不上内存消耗的速度,否则不太容易出现OOM的情况。
大多数情况下,GC会进行各种年龄段的垃圾回收,实在不行了就放大招,来一次独占式的Full GC
操作,这时候会回收大量的内存,供应用程序继续使用。
javadoc 中对 OutOfMemoryError
的解释是:没有空闲内存,并且垃圾收集器也无法提供更多内存。
首先说没有空闲内存的情况:说明Java虚拟机的堆内存不够。原因有二:
Java虚拟机的堆内存不够。
-Xms
、-Xmx
来调整。代码中创建了大量大对象,并且长时间不能被垃圾收集器收集(存在被引用)
OutOfMemoryError
也非常多见,尤其是在运行时存在大量动态类型生成的场合;类似intern
字符串缓存占用太多空间,也会导致OOM问题。对应的异常信息,会标记出来和永久代相关:“java.lang.OutOfMemoryError:PermGen space"
。随着元数据区的引入,方法区内存已经不再那么窘迫,所以相应的 OOM 有所改观,出现 OOM,异常信息则变成了:“java.lang.OutofMemoryError: Metaspace"
。直接内存不足,也会导致 OOM。
这里面隐含着一层意思是,在抛出OutOfMemoryError
之前,通常垃圾收集器会被触发,尽其所能去清理出空间。
java.nio.BIts.reserveMemory()
方法中,我们能清楚的看到,System.gc()
会被调用,以清理空间。当然,也不是在任何情况下垃圾收集器都会被触发的
OutOfMemoryError
。内存泄漏
也称作“存储渗漏”。严格来说,只有对象不会再被程序用到了,但是GC又不能回收他们的情况,才叫内存泄漏。
但实际情况很多时候一些不太好的实践(或疏忽)会导致对象的生命周期变得很长甚至导致OOM,也可以叫做宽泛意义上的“内存泄漏”。
尽管内存泄漏并不会立刻引起程序崩溃,但是一旦发生内存泄漏,程序中的可用内存就会被逐步蚕食,直至耗尽所有内存,最终出现OutOfMemory
异常,导致程序崩溃。
Java使用可达性分析算法,最上面的数据不可达,就是需要被回收的。后期有一些对象不用了,按道理应该断开引用,但是存在一些链没有断开,从而导致没有办法被回收。
举个例子
单例模式
一些提供 close 的资源未关闭导致内存泄漏
dataSourse.getConnection()
),网络连接(socket)和io
连接必须手动close,否则是不能被回收的。stop-the-world,简称STW,指的是GC事件发生过程中,会产生应用程序的停顿,停顿产生时整个应用程序线程都会被暂停,没有任何响应,有点像卡死的感觉,这个停顿称为STW。
STW是JVM在后台自动发起和自动完成的。在用户不可见的情况下,把用户正常的工作线程全部停掉。
可达性分析算法中==枚举根节点(GC Roots)==会导致所有Java执行线程停顿。
被STW中断的应用程序线程会在完成GC之后恢复,频繁中断会让用户感觉像是网速不快造成电影卡带一样,所以我们需要减少STW的发生。
STW事件和采用哪款GC无关,所有的GC都有这个事件。
system.gc()
,因为会导致stop-the-world的发生。并发
在操作系统中,是指一个时间段中有几个程序都处于已启动运行到运行完毕之间,且这几个程序都是在同一个处理器上运行。
并发不是真正意义上的“同时进行”,只是CPU把一个时间段划分成几个时间片段(时间区间),然后在这几个时间区间之间来回切换,由于CPU处理的速度非常快,只要时间间隔处理得当,即可让用户感觉是多个应用程序同时在进行。
也就是某一时刻仍然只有一个程序在执行
并行
当系统有一个以上CPU时,当一个CPU执行一个进程时,另一个CPU可以执行另一个进程,两个进程互不抢占CPU资源,可以同时进行,我们称之为并行(Parallel)。
其实决定并行的因素不是CPU的数量,而是CPU的核心数量,比如一个CPU多个核也可以并行。
适合科学计算,后台处理等弱交互场景
并发和并行对比
并发,指的是多个事情,在同一时间段内同时发生了。
并行,指的是多个事情,在同一时间点上同时发生了。
并发的多个任务之间是互相抢占资源的。并行的多个任务之间是不互相抢占资源的。
只有在多CPU或者一个CPU多核的情况中,才会发生并行;否则,看似同时发生的事情,其实都是并发执行的。
垃圾回收的并行与并发
并发和并行,在谈论垃圾收集器的上下文语境中,它们可以解释如下:
并行(Paralle1):指多条垃圾收集线程并行工作,但此时用户线程仍处于等待状态。
串行(Serial)
安全点
程序执行时并非在所有地方都能停顿下来开始GC,只有在特定的位置才能停顿下来开始GC,这些位置称为“安全点(Safepoint)”。
Safe Point的选择很重要
大部分指令的执行时间都非常短暂,通常会根据“是否具有让程序长时间执行的特征”为标准。
方法调用
、循环跳转
和异常跳转
等。如何在GC发生时,检查所有线程都跑到最近的安全点停顿下来呢?
安全区域
Safepoint 机制保证了程序执行时,在不太长的时间内就会遇到可进入GC的Safepoint。
但是,**程序“不执行”的时候呢?**例如线程处于 Sleep 状态或 Blocked 状态,这时候线程无法响应JVM的中断请求,“走”到安全点去中断挂起,JVM也不太可能等待线程被唤醒。对于这种情况,就需要安全区域(Safe Region)来解决。
安全区域是指在一段代码片段中,对象的引用关系不会发生变化,在这个区域中的任何位置开始GC都是安全的。
被扩展了的Safepoint
。执行流程:
概述
我们希望能描述这样一类对象:当内存空间还足够时,则能保留在内存中;如果内存空间在进行垃圾收集后还是很紧张,则可以抛弃这些对象。
【既偏门又非常高频的面试题】强引用、软引用、弱引用、虚引用有什么区别?具体使用场景是什么?
在JDK1.2版之后,Java对引用的概念进行了扩充,将引用分为:
这4种引用强度依次逐渐减弱。除强引用外,其他3种引用均可以在java.lang.ref
包中找到它们的身影。如下图,显示了这3种引用类型对应的类(FinalReference为终结器引用
),开发人员可以在应用程序中直接使用它们。
Reference子类中只有终结器引用是包内可见的,其他3种引用类型均为public
,可以在应用程序中直接使用
Object obj=new Object()
”这种引用关系。无论任何情况下,只要强引用关系还存在,垃圾收集器就永远不会回收掉被引用的对象。(实际开发中,绝大多数都是强引用)强引用: 不回收
在Java程序中,最常见的引用类型是强引用(普通系统99%以上都是强引用),也就是我们最常见的普通对象引用,也是默认的引用类型。
当在Java语言中使用new操作符
创建一个新的对象,并将其赋值给一个变量的时候,这个变量就成为指向该对象的一个强引用。
强引用的对象是可触及的,垃圾收集器就永远不会回收掉被引用的对象。
对于一个普通的对象,如果没有其他的引用关系,只要超过了引用的作用域或者显式地将相应(强)引用赋值为 null ,就是可以当做垃圾被收集了,当然具体回收时机还是要看垃圾收集策略。
相对的,软引用、弱引用和虚引用的对象是软可触及、弱可触及和虚可触及的,在一定条件下,都是可以被回收的。
所以,强引用是造成Java内存泄漏的主要原因之一。
举个例子
StringBuffer str = new StringBuffer("hello mogublog");
局部变量 str 指向 StringBuffer 实例所在堆空间,通过 str 可以操作该实例,那么 str 就是 StringBuffer 实例的强引用对应内存结构:
StringBuffer str = new StringBuffer("hello mogublog");
StringBuffer str1 = str;
对应的内存空间为
那么我们将 str = null;
则 原来堆中的对象也不会被回收,因为还有其它对象指向该区域
本例中的两个引用,都是强引用,强引用具备以下特点:
软引用是用来描述一些还有用,但非必需的对象。
只被软引用关联着的对象,在系统将要发生内存溢出异常前,会把这些对象列进回收范围之中进行第二次回收,如果这次回收还没有足够的内存,才会抛出内存溢出异常,但是不是软引用导致的,因为软引用都回收完了。
软引用通常用来实现内存敏感的缓存。比如:高速缓存就有用到软引用。
垃圾回收器在某个时刻决定回收软可达的对象的时候,会清理软引用,并可选地把引用存放到一个引用队列(Reference Queue
)。
类似弱引用,只不过Java虚拟机会尽量让软引用的存活时间长一些,迫不得已才清理。
一句话概括:
在JDK1.2版之后提供了java.lang.ref.SoftReference
类来实现软引用
// 声明强引用
Object obj = new Object();
// 创建一个软引用
SoftReference<Object> sf = new SoftReference<>(obj);
obj = null; //销毁强引用,这是必须的,不然会存在强引用和软引用
弱引用也是用来描述那些非必需对象,只被弱引用关联的对象只能生存到下一次垃圾收集发生为止。
但是,由于垃圾回收器的线程通常优先级很低,因此,并不一定能很快地发现持有弱引用的对象。
弱引用和软引用一样,在构造弱引用时,也可以指定一个引用队列,当弱引用对象被回收时,就会加入指定的引用队列,通过这个队列可以跟踪对象的回收情况。
软引用、弱引用都非常适合来保存那些可有可无的缓存数据。
在 JDK1.2 版之后提供了java.lang.ref.WeakReference
类来实现弱引用
// 声明强引用
Object obj = new Object();
// 创建一个弱引用
WeakReference<Object> sf = new WeakReference<>(obj);
obj = null; //销毁强引用,这是必须的,不然会存在强引用和弱引用
弱引用对象与软引用对象的最大不同就在于:
面试题:你开发中使用过WeakHashMap
吗?
WeakHashMap
用来存储图片信息,可以在内存不足的时候,及时回收,避免了OOM虚引用也称为“幽灵引用”或者“幻影引用”,是所有引用类型中最弱的一个
一个对象是否有虚引用的存在,完全不会决定对象的生命周期。如果一个对象仅持有虚引用,那么它和没有引用几乎是一样的,随时都可能被垃圾回收器回收。
它不能单独使用,也无法通过虚引用来获取被引用的对象。
get()
方法取得对象时,总是null
为一个对象设置虚引用关联的唯一目的在于跟踪垃圾回收过程。
虚引用必须和引用队列一起使用。虚引用在创建时必须提供一个引用队列作为参数。
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,就会在回收对象后,将这个虚引用加入引用队列,以通知应用程序对象的回收情况。
由于虚引用可以跟踪对象的回收时间,因此,也可以将一些资源释放操作放置在虚引用中执行和记录。
在JDK1.2版之后提供了PhantomReference
类来实现虚引用。
// 声明强引用
Object obj = new Object();
// 声明引用队列
ReferenceQueue phantomQueue = new ReferenceQueue();
// 声明虚引用(还需要传入引用队列)
PhantomReference<Object> sf = new PhantomReference<>(obj, phantomQueue);
obj = null;
举个例子
我们使用一个案例,来结合虚引用,引用队列,finalize
进行讲解
public class PhantomReferenceTest {
// 当前类对象的声明
public static PhantomReferenceTest obj;
// 引用队列
static ReferenceQueue<PhantomReferenceTest> phantomQueue = null;
@Override
// finalize 方法只能被调用一次
protected void finalize() throws Throwable {
super.finalize();
System.out.println("调用当前类的finalize方法");
obj = this;
}
public static void main(String[] args) {
// 设置一个线程操作引用队列
Thread thread = new Thread(() -> {
// 一直循环
while(true) {
// 一旦将 obj 对象回收,就会将此虚引用存放到引用队列中
if (phantomQueue != null) {
PhantomReference<PhantomReferenceTest> objt = null;
try {
// 取出最近的引用
objt = (PhantomReference<PhantomReferenceTest>) phantomQueue.remove();
} catch (Exception e) {
e.getStackTrace();
}
// 不为空就说明可以取出来
if (objt != null) {
System.out.println("追踪垃圾回收过程:PhantomReferenceTest实例被GC了");
}
}
}
}, "t1");
// 前面设置为死循环,这里要设为守护线程以便终止:当程序中没有非守护线程时,守护线程结束
thread.setDaemon(true);
thread.start();
phantomQueue = new ReferenceQueue<>();
obj = new PhantomReferenceTest();
// 构造了PhantomReferenceTest对象的虚引用,并指定了引用队列
PhantomReference<PhantomReferenceTest> phantomReference = new PhantomReference<>(obj, phantomQueue);
try {
System.out.println(phantomReference.get());
// 去除强引用
obj = null;
// 第一次进行GC,由于对象可复活,GC无法回收该对象
System.out.println("第一次GC操作");
System.gc();
Thread.sleep(1000);
if (obj == null) {
System.out.println("obj 是 null");
} else {
System.out.println("obj 不是 null");
}
System.out.println("第二次GC操作");
obj = null;
System.gc();
Thread.sleep(1000);
if (obj == null) {
System.out.println("obj 是 null");
} else {
System.out.println("obj 不是 null");
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} finally {
}
}
}
// 最后运行结果
null
第一次GC操作
调用当前类的finalize方法
obj 不是 null
第二次GC操作
追踪垃圾回收过程:PhantomReferenceTest实例被GC了
obj 是 null
从上述运行结果我们知道,第一次尝试获取虚引用的值,发现无法获取的,这是因为虚引用是无法直接获取对象的值,然后进行第一次 GC,因为会调用 finalize 方法,将对象复活了,所以对象没有被回收;
但是调用第二次 GC 操作的时候,因为 finalize 方法只能执行一次,所以就触发了GC操作,将对象回收了,同时将会触发第二个操作就是 将回收的值存入到引用队列中。
它用于实现对象的finalize()
方法,也可以称为终结器引用
无需手动编码,其内部配合引用队列使用
在GC时,终结器引用入队。由Finalizer线程
通过终结器引用找到被引用对象调用它的finalize()
方法,第二次GC时才回收被引用的对象