【JAVA核心】Java GC机制详解

垃圾收集 Garbage Collection 通常被称为“GC”，本文详细讲述Java垃圾回收机制。

导读：

1、什么是GC

2、GC常用算法

3、垃圾收集器

4、finalize()方法详解

5、总结--根据GC原理来优化代码

正式阅读之前需要了解相关概念：

Java 堆内存分为新生代和老年代，新生代中又分为1个 Eden 区域 和 2个 Survivor 区域。

 

一、什么是GC：

每个程序员都遇到过内存溢出的情况，程序运行时，内存空间是有限的，那么如何及时的把不再使用的对象清除将内存释放出来，这就是GC要做的事。

理解GC机制就从：“GC的区域在哪里”，“GC的对象是什么”，“GC的时机是什么”，“GC做了哪些事”几方面来分析。

 

1、需要GC的内存区域

jvm 中，程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈都是随线程而生随线程而灭，栈帧随着方法的进入和退出做入栈和出栈操作，实现了自动的内存清理，因此，我们的内存垃圾回收主要集中于 java 堆和方法区中，在程序运行期间，这部分内存的分配和使用都是动态的。

 

2、GC的对象

需要进行回收的对象就是已经没有存活的对象，判断一个对象是否存活常用的有两种办法：引用计数和可达分析。

（1）引用计数：每个对象有一个引用计数属性，新增一个引用时计数加1，引用释放时计数减1，计数为0时可以回收。此方法简单，无法解决对象相互循环引用的问题。

（2）可达性分析（Reachability Analysis）：从GC Roots开始向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链。当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连时，则证明此对象是不可用的。不可达对象。

在Java语言中，GC Roots包括：

虚拟机栈中引用的对象。

方法区中类静态属性实体引用的对象。

方法区中常量引用的对象。

本地方法栈中JNI引用的对象。

 

3、什么时候触发GC

(1)程序调用System.gc时可以触发

(2)系统自身来决定GC触发的时机（根据Eden区和From Space区的内存大小来决定。当内存大小不足时，则会启动GC线程并停止应用线程）

GC又分为 minor GC 和 Full GC (也称为 Major GC )

Minor GC触发条件：当Eden区满时，触发Minor GC。

Full GC触发条件：

  a.调用System.gc时，系统建议执行Full GC，但是不必然执行

  b.老年代空间不足

  c.方法区空间不足

  d.通过Minor GC后进入老年代的平均大小大于老年代的可用内存

  e.由Eden区、From Space区向To Space区复制时，对象大小大于To Space可用内存，则把该对象转存到老年代，且老年代的可用内存小于该对象大小

 

4、GC做了什么事

 主要做了清理对象，整理内存的工作。Java堆分为新生代和老年代，采用了不同的回收方式。（回收方式即回收算法详见后文）

 

二、GC常用算法

GC常用算法有：标记-清除算法，标记-压缩算法，复制算法，分代收集算法。

目前主流的JVM（HotSpot）采用的是分代收集算法。

 1、标记-清除算法

为每个对象存储一个标记位，记录对象的状态（活着或是死亡）。分为两个阶段，一个是标记阶段，这个阶段内，为每个对象更新标记位，检查对象是否死亡；第二个阶段是清除阶段，该阶段对死亡的对象进行清除，执行 GC 操作。

优点
最大的优点是，标记—清除算法中每个活着的对象的引用只需要找到一个即可，找到一个就可以判断它为活的。此外，更重要的是，这个算法并不移动对象的位置。

缺点
它的缺点就是效率比较低（递归与全堆对象遍历）。每个活着的对象都要在标记阶段遍历一遍；所有对象都要在清除阶段扫描一遍，因此算法复杂度较高。没有移动对象，导致可能出现很多碎片空间无法利用的情况。

图例

 

 

 

 2、标记-压缩算法（标记-整理）

标记-压缩法是标记-清除法的一个改进版。同样，在标记阶段，该算法也将所有对象标记为存活和死亡两种状态；不同的是，在第二个阶段，该算法并没有直接对死亡的对象进行清理，而是将所有存活的对象整理一下，放到另一处空间，然后把剩下的所有对象全部清除。这样就达到了标记-整理的目的。

优点
该算法不会像标记-清除算法那样产生大量的碎片空间。
缺点
如果存活的对象过多，整理阶段将会执行较多复制操作，导致算法效率降低。
图例

 

左边是标记阶段，右边是整理之后的状态。可以看到，该算法不会产生大量碎片内存空间。

 

 3、复制算法

该算法将内存平均分成两部分，然后每次只使用其中的一部分，当这部分内存满的时候，将内存中所有存活的对象复制到另一个内存中，然后将之前的内存清空，只使用这部分内存，循环下去。

注意： 
这个算法与标记-整理算法的区别在于，该算法不是在同一个区域复制，而是将所有存活的对象复制到另一个区域内。

优点

实现简单；不产生内存碎片

缺点
每次运行，总有一半内存是空的，导致可使用的内存空间只有原来的一半。

图例

 

4、分代收集算法

现在的虚拟机垃圾收集大多采用这种方式，它根据对象的生存周期，将堆分为新生代(Young)和老年代(Tenure)。在新生代中，由于对象生存期短，每次回收都会有大量对象死去，那么这时就采用复制算法。老年代里的对象存活率较高，没有额外的空间进行分配担保，所以可以使用标记-整理 或者 标记-清除。

 具体过程：新生代(Young)分为Eden区，From区与To区

当系统创建一个对象的时候，总是在Eden区操作，当这个区满了，那么就会触发一次YoungGC，也就是年轻代的垃圾回收。一般来说这时候不是所有的对象都没用了，所以就会把还能用的对象复制到From区。 

 

这样整个Eden区就被清理干净了，可以继续创建新的对象，当Eden区再次被用完，就再触发一次YoungGC，然后呢，注意，这个时候跟刚才稍稍有点区别。这次触发YoungGC后，会将Eden区与From区还在被使用的对象复制到To区， 

再下一次YoungGC的时候，则是将Eden区与To区中的还在被使用的对象复制到From区。

经过若干次YoungGC后，有些对象在From与To之间来回游荡，这时候From区与To区亮出了底线（阈值），这些家伙要是到现在还没挂掉，对不起，一起滚到（复制）老年代吧。 

老年代经过这么几次折腾，也就扛不住了（空间被用完），好，那就来次集体大扫除（Full GC），也就是全量回收。如果Full GC使用太频繁的话，无疑会对系统性能产生很大的影响。所以要合理设置年轻代与老年代的大小，尽量减少Full GC的操作。

 

三、垃圾收集器

如果说收集算法是内存回收的方法论，垃圾收集器就是内存回收的具体实现

1.Serial收集器

串行收集器是最古老，最稳定以及效率高的收集器
可能会产生较长的停顿，只使用一个线程去回收
-XX:+UseSerialGC

• 新生代、老年代使用串行回收
• 新生代复制算法
• 老年代标记-压缩

2. 并行收集器

2.1 ParNew

-XX:+UseParNewGC（new代表新生代，所以适用于新生代）

• 新生代并行
• 老年代串行

Serial收集器新生代的并行版本
在新生代回收时使用复制算法
多线程，需要多核支持
-XX:ParallelGCThreads 限制线程数量

 

2.2 Parallel收集器

类似ParNew 
新生代复制算法 
老年代标记-压缩 
更加关注吞吐量 
-XX:+UseParallelGC  

• 使用Parallel收集器+ 老年代串行

-XX:+UseParallelOldGC 

• 使用Parallel收集器+ 老年代并行

 

2.3 其他GC参数

-XX:MaxGCPauseMills

• 最大停顿时间，单位毫秒
• GC尽力保证回收时间不超过设定值

-XX:GCTimeRatio 

• 0-100的取值范围
• 垃圾收集时间占总时间的比
• 默认99，即最大允许1%时间做GC

这两个参数是矛盾的。因为停顿时间和吞吐量不可能同时调优

3. CMS收集器

• Concurrent Mark Sweep 并发标记清除（应用程序线程和GC线程交替执行）
• 使用标记-清除算法
• 并发阶段会降低吞吐量（停顿时间减少，吞吐量降低）
• 老年代收集器（新生代使用ParNew）
• -XX:+UseConcMarkSweepGC

CMS运行过程比较复杂，着重实现了标记的过程，可分为

1. 初始标记（会产生全局停顿）

• 根可以直接关联到的对象
• 速度快

2. 并发标记（和用户线程一起） 

• 主要标记过程，标记全部对象

3. 重新标记 （会产生全局停顿） 

• 由于并发标记时，用户线程依然运行，因此在正式清理前，再做修正

4. 并发清除（和用户线程一起） 

• 基于标记结果，直接清理对象

 

这里就能很明显的看出，为什么CMS要使用标记清除而不是标记压缩，如果使用标记压缩，需要多对象的内存位置进行改变，这样程序就很难继续执行。但是标记清除会产生大量内存碎片，不利于内存分配。 

CMS收集器特点：

尽可能降低停顿
会影响系统整体吞吐量和性能

• 比如，在用户线程运行过程中，分一半CPU去做GC，系统性能在GC阶段，反应速度就下降一半

清理不彻底 

• 因为在清理阶段，用户线程还在运行，会产生新的垃圾，无法清理

因为和用户线程一起运行，不能在空间快满时再清理（因为也许在并发GC的期间，用户线程又申请了大量内存，导致内存不够） 

• -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction设置触发GC的阈值
• 如果不幸内存预留空间不够，就会引起concurrent mode failure

一旦 concurrent mode failure产生，将使用串行收集器作为后备。

CMS也提供了整理碎片的参数：

-XX:+ UseCMSCompactAtFullCollection Full GC后，进行一次整理

• 整理过程是独占的，会引起停顿时间变长

-XX:+CMSFullGCsBeforeCompaction  

• 设置进行几次Full GC后，进行一次碎片整理

-XX:ParallelCMSThreads 

• 设定CMS的线程数量（一般情况约等于可用CPU数量）

CMS的提出是想改善GC的停顿时间，在GC过程中的确做到了减少GC时间，但是同样导致产生大量内存碎片，又需要消耗大量时间去整理碎片，从本质上并没有改善时间。 

 

4. G1收集器

G1是目前技术发展的最前沿成果之一，HotSpot开发团队赋予它的使命是未来可以替换掉JDK1.5中发布的CMS收集器。

与CMS收集器相比G1收集器有以下特点：

(1) 空间整合，G1收集器采用标记整理算法，不会产生内存空间碎片。分配大对象时不会因为无法找到连续空间而提前触发下一次GC。

(2)可预测停顿，这是G1的另一大优势，降低停顿时间是G1和CMS的共同关注点，但G1除了追求低停顿外，还能建立可预测的停顿时间模型，能让使用者明确指定在一个长度为N毫秒的时间片段内，消耗在垃圾收集上的时间不得超过N毫秒，这几乎已经是实时Java（RTSJ）的垃圾收集器的特征了。

上面提到的垃圾收集器，收集的范围都是整个新生代或者老年代，而G1不再是这样。使用G1收集器时，Java堆的内存布局与其他收集器有很大差别，它将整个Java堆划分为多个大小相等的独立区域（Region），虽然还保留有新生代和老年代的概念，但新生代和老年代不再是物理隔阂了，它们都是一部分（可以不连续）Region的集合。

G1的新生代收集跟ParNew类似，当新生代占用达到一定比例的时候，开始出发收集。

和CMS类似，G1收集器收集老年代对象会有短暂停顿。

步骤：

(1)标记阶段，首先初始标记(Initial-Mark),这个阶段是停顿的(Stop the World Event)，并且会触发一次普通Mintor GC。对应GC log:GC pause (young) (inital-mark)

(2)Root Region Scanning，程序运行过程中会回收survivor区(存活到老年代)，这一过程必须在young GC之前完成。

(3)Concurrent Marking，在整个堆中进行并发标记(和应用程序并发执行)，此过程可能被young GC中断。在并发标记阶段，若发现区域对象中的所有对象都是垃圾，那个这个区域会被立即回收(图中打X)。同时，并发标记过程中，会计算每个区域的对象活性(区域中存活对象的比例)。

 

(4)Remark, 再标记，会有短暂停顿(STW)。再标记阶段是用来收集 并发标记阶段 产生新的垃圾(并发阶段和应用程序一同运行)；G1中采用了比CMS更快的初始快照算法:snapshot-at-the-beginning (SATB)。

(5)Copy/Clean up，多线程清除失活对象，会有STW。G1将回收区域的存活对象拷贝到新区域，清除Remember Sets，并发清空回收区域并把它返回到空闲区域链表中。

 

(6)复制/清除过程后。回收区域的活性对象已经被集中回收到深蓝色和深绿色区域。

 

四、finalize()方法详解

1. finalize的作用

(1)finalize()是Object的protected方法，子类可以覆盖该方法以实现资源清理工作，GC在回收对象之前调用该方法。
(2)finalize()与C++中的析构函数不是对应的。C++中的析构函数调用的时机是确定的（对象离开作用域或delete掉），但Java中的finalize的调用具有不确定性
(3)不建议用finalize方法完成“非内存资源”的清理工作，但建议用于：① 清理本地对象(通过JNI创建的对象)；② 作为确保某些非内存资源(如Socket、文件等)释放的一个补充：在finalize方法中显式调用其他资源释放方法。其原因可见下文[finalize的问题]

2. finalize的问题

(1)一些与finalize相关的方法，由于一些致命的缺陷，已经被废弃了，如System.runFinalizersOnExit()方法、Runtime.runFinalizersOnExit()方法
(2)System.gc()与System.runFinalization()方法增加了finalize方法执行的机会，但不可盲目依赖它们
(3)Java语言规范并不保证finalize方法会被及时地执行、而且根本不会保证它们会被执行
(4)finalize方法可能会带来性能问题。因为JVM通常在单独的低优先级线程中完成finalize的执行
(5)对象再生问题：finalize方法中，可将待回收对象赋值给GC Roots可达的对象引用，从而达到对象再生的目的
(6)finalize方法至多由GC执行一次(用户当然可以手动调用对象的finalize方法，但并不影响GC对finalize的行为)

3. finalize的执行过程(生命周期)

(1) 首先，大致描述一下finalize流程：当对象变成(GC Roots)不可达时，GC会判断该对象是否覆盖了finalize方法，若未覆盖，则直接将其回收。否则，若对象未执行过finalize方法，将其放入F-Queue队列，由一低优先级线程执行该队列中对象的finalize方法。执行finalize方法完毕后，GC会再次判断该对象是否可达，若不可达，则进行回收，否则，对象“复活”。
(2) 具体的finalize流程：
  对象可由两种状态，涉及到两类状态空间，一是终结状态空间 F = {unfinalized, finalizable, finalized}；二是可达状态空间 R = {reachable, finalizer-reachable, unreachable}。各状态含义如下：

• unfinalized: 新建对象会先进入此状态，GC并未准备执行其finalize方法，因为该对象是可达的
• finalizable: 表示GC可对该对象执行finalize方法，GC已检测到该对象不可达。正如前面所述，GC通过F-Queue队列和一专用线程完成finalize的执行
• finalized: 表示GC已经对该对象执行过finalize方法
• reachable: 表示GC Roots引用可达
• finalizer-reachable(f-reachable)：表示不是reachable，但可通过某个finalizable对象可达
• unreachable：对象不可通过上面两种途径可达

状态变迁图：

变迁说明：

  (1)新建对象首先处于[reachable, unfinalized]状态(A)
  (2)随着程序的运行，一些引用关系会消失，导致状态变迁，从reachable状态变迁到f-reachable(B, C, D)或unreachable(E, F)状态
  (3)若JVM检测到处于unfinalized状态的对象变成f-reachable或unreachable，JVM会将其标记为finalizable状态(G,H)。若对象原处于[unreachable, unfinalized]状态，则同时将其标记为f-reachable(H)。
  (4)在某个时刻，JVM取出某个finalizable对象，将其标记为finalized并在某个线程中执行其finalize方法。由于是在活动线程中引用了该对象，该对象将变迁到(reachable, finalized)状态(K或J)。该动作将影响某些其他对象从f-reachable状态重新回到reachable状态(L, M, N)
  (5)处于finalizable状态的对象不能同时是unreahable的，由第4点可知，将对象finalizable对象标记为finalized时会由某个线程执行该对象的finalize方法，致使其变成reachable。这也是图中只有八个状态点的原因
  (6)程序员手动调用finalize方法并不会影响到上述内部标记的变化，因此JVM只会至多调用finalize一次，即使该对象“复活”也是如此。程序员手动调用多少次不影响JVM的行为
  (7)若JVM检测到finalized状态的对象变成unreachable，回收其内存(I)
  (8)若对象并未覆盖finalize方法，JVM会进行优化，直接回收对象（O）
  (9)注：System.runFinalizersOnExit()等方法可以使对象即使处于reachable状态，JVM仍对其执行finalize方法

 

五、总结

 

根据GC的工作原理，我们可以通过一些技巧和方式，让GC运行更加有效率，更加符合应用程序的要求。一些关于程序设计的几点建议： 

1.最基本的建议就是尽早释放无用对象的引用。大多数程序员在使用临时变量的时候，都是让引用变量在退出活动域（scope）后，自动设置为 null.我们在使用这种方式时候，必须特别注意一些复杂的对象图，例如数组，队列，树，图等，这些对象之间有相互引用关系较为复杂。对于这类对象，GC 回收它们一般效率较低。如果程序允许，尽早将不用的引用对象赋为null.这样可以加速GC的工作。 

2.尽量少用finalize函数。finalize函数是Java提供给程序员一个释放对象或资源的机会。但是，它会加大GC的工作量，因此尽量少采用finalize方式回收资源。 

3.如果需要使用经常使用的图片，可以使用soft应用类型。它可以尽可能将图片保存在内存中，供程序调用，而不引起OutOfMemory. 

4.注意集合数据类型，包括数组，树，图，链表等数据结构，这些数据结构对GC来说，回收更为复杂。另外，注意一些全局的变量，以及一些静态变量。这些变量往往容易引起悬挂对象（dangling reference），造成内存浪费。 

5.当程序有一定的等待时间，程序员可以手动执行System.gc（），通知GC运行，但是Java语言规范并不保证GC一定会执行。使用增量式GC可以缩短Java程序的暂停时间。