Java进阶系列：GC分析与优化

本文主要介绍以下内容：

• 理论
  • JVM内存模型
    • 内存结构
    • 内存模型
  • 判定需要被回收的对象
  • 方法区回收策略
  • 垃圾回收算法
• 实践
  • 查看
  • 优化

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JVM内存模型

• 内存结构
  
• Java内存模型
  • CPU缓存和内存的关系
    • 保证其它CPU的写入动作对该CPU是可见的，而且该CPU的写入动作对其它CPU也是可见的
      • 禁止指令的重排序
      • 内存屏障
        • 阻止屏障两侧指令重排序
        • 强制把写缓冲区/高速缓存中的脏数据等写回主内存，让缓存中相应的数据失效。
      • 缓存行失效
      • happens-before关系
    • 具体实现：volatile、final和synchronized
      • synchronized：
        • 在一个线程退出同步块时，线程释放monitor对象，它的作用是把CPU缓存数据（本地缓存数据）刷新到主内存中，从而实现该线程的行为可以被其它线程看到
        • 在其它线程进入到该代码块时，需要获得monitor对象，它在作用是使CPU缓存失效，从而使变量从主内存中重新加载，然后就可以看到之前线程对该变量的修改。
      • final
        • 正确的构造一个对象后，final字段被设置后对于其它线程是可见的
      • volatile
        • volatile的内存语义和sychronize获取和释放monitor的实现目的是差不多的
        • volatile禁止它之前和之后的指令写入行为的重排序
• 参考博客：
  • 什么是Java内存模型
  • 深入理解JVM-内存模型（jmm）和GC

判定需要被回收的对象

• 引用计数法
  • 对象中添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器值加一；当引用失效，计数器值减一；任何时刻计数器值都为零的对象就是不可能再被使用了
  • 需要考虑很多额外情况
  • 很难解决对象之间相互循环引用的问题
• 可达性分析算法
  • 通过一系列称为 GC Roots 的根对象作为起始节点集，从这些节点开始，根据引用关系向下搜索，搜索过程走过的路径称为引用链。如果某个对象到 GC Roots 间没有任何引用链相连，则证明此对象是不可能再被使用，可以回收
  • GC Roots 的对象包括：
    • 在虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象
    • 方法区中类静态属性引用的对象
    • 方法区中常量引用的对象
    • 本地方法栈中 JNI（即通常所说的 Native 方法）引用的对象
    • Java 虚拟机内部的引用，如基本数据类型对应的 Class 对象，一些常驻的异常对象（NullPointException、OutOfMemoryError）
    • 所有被同步锁持有的对象
    • 反映 Java 虚拟机内部情况的 JMXBean、JVMTI 中注册的回调、本地代码缓存等

方法区回收策略

• 方法区的垃圾收集主要回收两部分：废弃的常量和不再使用的类型
• 判定一个常量是否废弃相对简单，与对象类似，只要某个常量不再被引用，就会被清理。
• 判定一个类型是否属于“不再被使用的类”的条件就比较苛刻了，需要同时满足下面三个条件：
  • 该类的所有实例都已经被回收，即 Java 堆中不存在该类及其任何派生子类的实例
  • 加载该类的类加载器已经被回收
  • 该类对应的 java.lang.Class 对象没有在任何地方被引用，无法在任何地方通过反射访问该类的方法

垃圾回收算法

• “Minor GC”、“Major GC”、“Full GC”

• “标记-复制”算法、“标记-清除”算法、“标记-整理”算法

  • “标记-复制”算法：
    • 将新生代划分为一块较大的 Eden 区和两块较小的 Survivor 区，每次分配只使用 Eden 区和其中一块 Survivor 区。发生垃圾收集时，将 Eden 区和 Survivor 区中仍然存活的对象一次性复制到另一个 Survivor 区，然后直接清理掉 Eden 区和已经用过的 Survivor 区
    • 当 Survivor 空间不足以容纳一次 Minor GC 之后存活的对象时，上一次新生代存活下来的对象直接进入老年代
    • 标记 - 复制算法不适合用在对象存活率高的区域，而且会浪费一半的空间
  • “标记-清除”算法
    • 先标记，再回收
    • 执行效率不稳定、内存空间碎片化
  • “标记-整理”算法
    • 在老年代中让所有存活对象都向内存空间的一侧移动，然后直接清理掉边界以外的内存
    • 移动存活对象并更新其引用将会是一个极为繁重的操作，必须暂停用户应用程序线程才能进行

• 跨代引用

• 参考博客：Java 虚拟机垃圾收集机制详解