Java虚拟机垃圾收集机制

垃圾收集机制

在虚拟机内存模型中：

1. 程序计数器，消耗内存可以忽略不计
2. 虚拟机栈，在编译期可知需要分配多少内存空间，栈帧入栈分配空间，出栈回收内存。
3. 本地方法栈，与虚拟机栈基本一致。
4. Java堆，最大的内存区域，对象几乎在运行时才分配内存，创建频繁甚至需要同步分配，所以堆内存自动回收机制特别重要。
5. 方法区，同样需要内存回收。

本章了解整个垃圾收集机制

1. 了解垃圾收集流程
2. 重点掌握虚拟机垃圾收集算法：
   • 对象存活判定算法
   • 垃圾收集算法
3. 虚拟机GC算法实现
4. 垃圾收集器
5. 对象在GC时如何分配

对象存活判定算法

什么时候发生GC

当分配Java对象内存时，Java堆内存空间不够，且无法扩展时，进行一次GC

GC处理的是Java堆中的对象，哪些对象是需要回收的呢

这就需要对象存活判定算法，目前有两种对象存活判定算法

1. 引用计数法
2. 可达性分析算法

引用计数法是什么

对象中设置一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器值加1。引用失效时，计数器值减1。

计数器值为0的对象就是可被回收的对象。

引用计数法有什么优缺点

• 优点：实现简单，判定效率高
• 缺点：无法解决对象直接相互循环引用的问题

什么是对象间的相互循环引用

例如：对象A和对象B都有字段ref, 现在让A.ref=B, B.ref=A

然后手动执行GC, 虽然这两个对象不可能再被访问，但他们之间的相互引用让引用计数器都不等于0，无法被回收。

java虚拟机使用的是引用计数法吗

不是，因为对象直接相互循环引用的问题，java虚拟机使用的是可达性分析算法

什么是可达性分析算法

通过一系列的GC Roots的对象作为起始点，从这些起始点开始向下搜索，搜索走过的路径被称为引用链

当一个对象到GC Roots没有任何应用链相连，则证明对象是不可用的。

也可以说，从GC Roots到对象不可达时，则对象可回收。

一系列的GC Roots对象，GC Roots对象有哪些

1. 虚拟机栈中引用的对象，即栈帧中本地变量表中对象
2. 方法区中类静态属性引用的对象
3. 方法区中常量引用的对象
4. 本地方法栈中JNI,即Native方法中引用的对象。

当GC Roots到对象不可达时，对象就一定可以被回收吗

当GC Roots到对象不可达时，对象不一定会被回收，需要经历两次标记。

1. 第一次GC Roots 到对象不可达时，对象被标记1次。
2. 判断对象是否覆盖了finalize()方法
   • 对象覆盖了finalize()方法，判断虚拟机是否执行了finalize方法
     • 虚拟机没有执行finalize方法，将对象放入F-Queue队列中，待回收
       • 稍后虚拟机自动建立低优先级的Finalizer线程执行F-Queue队列中对象的finalize方法。
         • finalize方法中对象与引用链上链接建立关联，即GC Roots到对象可达
         • finalize方法中对象没有雨引用链上链接建立关联
       • 稍后GC对F-Queue队列中对象进行第二次标记
         • 与引用链建立链接的对象，移除待回收集合
         • 没有与引用链建立链接的对象，对象可回收
     • 虚拟机已经执行了finalize方法，对象可回收
   • 对象没有覆盖finalize()方法，对象可回收

虚拟机自动建立的低优先级的Finalizer线程执行的时间很长怎么办

Finalizer线程中对象finalize方法可能并不会等待方法执行结束，因为finalize方法可能出现死循环等异常情况，导致整个内存回收机制崩溃。

所以只要执行了finalize方法的对象，且没有与引用链建立关联，对象就是可回收的。虽然可能方法没有结束。

对象的finalize方法有点像C++的析构函数呀

是的，finalize方法就是Java对C++做出的妥协。
尽量不要使用这个方法，try-catch-finally可以做的更好。

方法区或永久代也可能被GC吗

方法区或永久代也会被GC, 虽然效率会很低。

方法区或永久代会回收两部分内容：

1. 废弃常量
2. 无用的类

这里的常量是指什么

这里是指运行时常量池中常量：字面量和符号引用

常量如何判断可回收

1. 堆中没有对象引用该字面量或符号引用
2. 其他地方也没有引用该字面量或符号引用

jdk1.8移除了永生代，会有什么变化吗

常量被移到堆中，即常量的回收与对象的回收一致了。
所以jdk1.8只负责类回收。

类如何判断可回收

条件苛刻，下面3个条件同时满足才可以回收

1. 该类所有实例被回收，即java堆中不存在该类的任何实例
2. 加载该类的ClassLoader已经被回收
3. 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。

而且是否对类进行回收，虚拟机还提供参数进行控制：-Xnoclassgc, 是否开启类回收。

总结

对象存活判定算法

1. 引用计数法

• 原理：对象中设置一个引用计数器，当有地方引用它时，计数器+1，引用失效时，计数器-1，当计数器==0时，对象已死。
• 优点：实现简单，判定效率高
• 缺点：无法解决对象间直接相互循环引用问题。

2. 可达性分析算法

• 原理：一系列的GC Roots对象作为起始点，向下搜索，走过的路径被称为引用链。当一个对象到GC Roots没有一个引用链相连，或者说GC Roots到对象不可达时，对象已死
• 优点：解决对象间直接相互循环引用的问题
• GC Roots对象：
  1. 虚拟机栈中引用的对象，即栈帧中本地变量表的引用对象
  2. 本地方法栈中JNI,即Native方法中对象
  3. 方法区中静态变量引用的对象
  4. 方法区中常量引用的对象

对象两次标记判定算法

• 原理：对象的fianlize方法可以第一次标记已死的对象重新存活。
• 步骤：
  1. 判断对象是否覆盖finalize方法或者判断虚拟机是否已经执行了finalize方法
  2. 如果没有覆盖finalize方法或已经执行了finalize方法，则对象必死
  3. 如果对象覆盖了finalize方法且虚拟机没有执行finalize方法，将对象放到F-Queue队列中
  4. 稍后虚拟机自动建立低优先级的线程，执行F-Queue队列中对象的finalize方法，因虚拟机资源和效率，不一定会等待所有对象的finalize方法执行完成。
  5. 稍候GC对F-Queue队列中对象进行第二次标记，如果对象在finalize方法中与引用链重新建立链接，即第二次标记存活的对象，移出待回收集合。如果第二次标记还是死亡，则对象必死。

方法区回收判定算法

1. 常量判定
   • 常量内容：字面量和符号引用
   • 判定算法：
     • 堆中没有对象引用该字面量或符号引用
     • 其他地方没有引用该字面量或符号引用
2. 类判定
   • 虚拟机启用类回收卸载
     • 使用参数：-Xnoclassgc，启用类回收卸载
   • 类信息同时满足3个条件判定可卸载
     • 堆中没有该类的任何实例对象
     • 该类的ClassLoader被卸载
     • 该类对应的java.lang.Class对象没有在任何地方被引用，无法通过反射机制引用到该类

垃圾回收算法

垃圾回收算法有哪几种

1. 标记清除
2. 复制算法
3. 标记整理
4. 分代收集

什么是标记清除算法

1. 标记：标记出所有待回收的对象。
2. 清除：标记完成，统一回收被标记对象的内存。

标记清除算法有什么优缺点

• 优点：实现简单
• 缺点：
  1. 标记和清除的效率都不高。
  2. 一次GC后会产生大量的不连续的内存碎片，当分配大对象时，可能会无法分配内存而重新发起一次GC

什么是复制算法

1. 将堆内存分为大小相等两块区域，每次只用其中一块
2. 当使用的那一块内存使用完毕，触发一次GC, 将存活的对象复制到另外一块，已使用过的内存空间一次清理。
3. 复制时只移动堆顶指针，按顺序分配内存，不会有大量内存碎片出现

复制算法有什么优缺点

• 优点：解决了标记清除算法的效率问题和内存碎片问题
• 缺点：一次只能用一半的内存空间，空间消耗太大

复制算法如何优化内存空间消耗太大的问题

IBM的研究表明： 98%的对象朝生夕死，熬过一次GC的对象极少，所以并不需要按1:1等比例来划分内存空间。

内存划分:

1. Eden空间：占内存80%，数量1
2. Survivor空间：占内存10%，数量2
   • From空间
   • To空间

每次使用Eden空间和Survivor空间中一个，即使用90%的空间，剩余10%的空间。
毕竟98%只是一般理论数据，10%的空间足够存放理论上2%的存活对象。

发生GC时，将存活对象（理论上2%）复制到Survivor的另一块空闲空间，Eden空间和已使用的一块Survivor空间回收内存。

98%毕竟是理论值，如果超过10%的对象熬过GC, 特别是大对象，那该怎么办

98%的对象朝生夕死，根据对象生存周期的不同可以将java堆内存分为两种：新生代和老年代。

开始内存都在新生代中分配，每熬过一次GC, 对象年龄+1，当对象年龄到15岁时，移到老年代。

很显然，新生代的对象适合用复制算法。但如果10%的空间不够，会用老年代的空间进行担保，进入老年代的空间。

能熬过15次GC的老年代中对象，存活率肯定比较高，用复制算法的10%空间根本不够吧

是的，老年代中对象存活率很高，不适合使用复制算法，所以使用标记整理算法。

什么是标记整理算法

1. 标记：对所有可回收的对象进行标记
2. 整理：标记完成后，所有存活的对象向一端移动，然后直接清理存活对象边界之外的内存空间。

标记整理算法有什么优缺点

• 优点：解决了标记整理的大量内存碎片的问题，适合老年代。老年代对象存活率高，没有额外空间对它进行分配担保。
• 缺点：不适合新生代。新生代对象存活率低，没有复制算法效率高。

那新生代就用复制算法，老年代就用标记整理算法就好了

是的，这就是分代算法

1. 新生代对象存活率低，使用复制算法，只需复制少量对象就完成收集。
2. 老年代存活率高，且没有额外空间担保，必须用标记整理算法回收空间。

总结

堆内存分代

• 原因：98%的对象朝生夕死
• 分代：

1. 新生代
   • 存放对象：对象起始都在新生代分配，每熬过一次GC,对象年龄+1，对象到15岁，移到老年代。
   • 复制算法空间划分：使用复制算法对新生代空间划分
     • Eden空间：占用新生代80%，1个，使用的空间。
     • Survivor空间：占用新生代20%，2个，使用其中之一。
       • From空间，占用新生代10%
       • To空间，占用新生代10%
2. 老年代

垃圾收集算法

1. 标记清除
   • 原理：标记所有待回收的对象，标记完成，清理所有待回收对象内存空间。
   • 优点：实现简单
   • 缺点：标记和清理效率不高，而且产生大量内存碎片。
2. 复制算法
   • 原理：
     • 将新生代分为两部分空间，一块Eden空间（占用80%空间）和两块Survivor空间（分别占用10%空间），每次只使用Eden空间和一块Survivor空间，即使用90%空间。
     • 发生GC时，将存活的对象复制到另一块空闲的Survivor空间，Eden空间和已使用的Survivor空间一次清理。
   • 优点：适合收集新生代朝生夕死的对象，只需复制少量的存活对象完成收集，且不会产生大量内存碎片。
   • 缺点：存活对象超过10%时，需要担保进入老年代。
3. 标记整理
   • 原理：标记所有待回收对象，标记完成，将存活对象移到一端，端边界之外的内存空间一次清理。
   • 优点：适合对象存活率高，且无法担保的老年代。也不会产生大量内存碎片。
   • 缺点：标记和整理效率不高。
4. 分代算法
   • 原理：在新生代使用复制算法，只需复制少量对象即可完成收集。在老年代使用标记整理算法，老年代对象存活率高，且无法担保。

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