【JVM】垃圾回收机制

 哈喽，哈喽，大家好~ 我是你们的老朋友：保护小周ღ  

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今天给大家带来的是 JVM (Java 虚拟机) 的垃圾回收机制，回收是指回收什么？  如何确定要回收的内存： 引用计数，可达性分析，如何释放空间 ： 标记清除，复制算法，标记整理，分代回收，一起来看看叭~

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本期收录于博主的专栏：JavaEE_保护小周ღ的博客-CSDN博客

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Java运行时内存的各个区域。对于程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈这三部分区域而言，其
生命周期与相关线程有关，随着线程的结束而结束。因为当方法结束或者线程结束时，内存就自然跟着线程回收了。
Java堆中存放着几乎所有的实例对象，垃圾回收器在对堆进行垃圾回收前，首先要判断这些对象哪些还存活，哪些已经 “死去” 。 死去的对象可以简单的理解为：当前对象已经无法使用。

上述是一种判断对象是否存活的机制。

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一、垃圾回收

垃圾回收（GC），就是帮住程序猿自定的释放内存，在 C 语言中，我们动态开辟的内存（malloc），不使用的时候就需要手动的是调用 free() 方式释放，如果不释放有什么危害呢？ 内存是空间是固定的，程序在运行时会向内存申请大量的内存空间，当一些数据，不再使用，也不释放内存，这些无效数据就会一直占据内存的空间，随着无效的数据越来越多，内存逐渐用完，导致内存溢出（抛异常），程序崩溃， 系统宕机的话，重启就好了~

总而言之，内存泄露 是 C/C++ 程序猿职业生涯中的一生之敌。

但是博主是学 Java 的，Java 等后续的编程语言引入了垃圾回收来解决上述问题，能够有效的减少内存的泄露。除非你程序循环\递归申请空间，没有终止条件。

内存的释放是一件比较纠结的事情：

C/C++ 的做法是让程序猿自己决定何时释放内存，依赖于程序猿的水平。

Java 通过JVM 的一些策略自动判定，准确性比较高，但是也意味着在性能上会付出一些代价。

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JVM 中的内存有好几个区域， 我们所说的内存回收，具体是回收那一部分的空间呢？

程序计数器，就是一个单纯的存地址的整数，用于存储当前正在执行的指令地址或下一条将要执行的指令地址。随着线程的销毁而销毁。

Java虚拟机栈，是Java虚拟机为执行Java方法而提供的一块内存区域，用于支持方法调用和执行。它由栈帧组成，保存了方法的参数、局部变量、返回值等信息。随着方法的结束而结束

本地方法栈，主要维护的是JDK , 内部集成的一些由C/C++ 语言所编写的本地方法或类对象，本地方法栈的大小是可以配置的，可以通过JVM参数来指定。如果本地方法栈空间不足，会抛出栈溢出异常（StackOverflowError）。

方法区（Method Area）是Java虚拟机（JVM）中的一块内存区域，用于存储类的结构信息、常量、静态变量、编译器编译后的代码等数据。它是所有线程共享的，与堆区不同，每个线程都有自己独立的方法栈和程序计数器。

堆区：主要存储就是 类实例后的对象，堆区也是垃圾回收的主要区域。GC 也可以认为是以对象为单位进行释放的。

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垃圾回收主要分为两个阶段：这也是主要关注的策略
1. 判断谁是垃圾

2. 删除垃圾的策略

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二、确定垃圾

垃圾回收主要是针对堆区上的对象讲述，一个对象如果后续再也不使用了，就可以认为是垃圾。

Java 中使用一个对象，只能通过引用。

如果一个对象，没有引用指向，那么这个对象一定是无法被使用的，就可以认为是垃圾。

如果一个对象， 已经不需要使用了，但是还有引用维护着这个对象，此时并不认为是垃圾。

Java 中只是单纯的判断一个对象有没有引用来维护，来确定是否是垃圾。

Java 对于垃圾对象的标识是保守的，没有及时释放是小，如果不小心干掉了有用的对象，那可能程序都无法继续执行了。

如何判断一个对象是否有引用指向呢？

这里给大家讲解两种策略:  1. 引用计数   2. 可达性分析

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2.1 引用计数

引用计数： 给对象安排一个额外的空间，保存一个整数， 表示该对象有几个引用指向。当前这个策略 Java 并没有使用，Python 使用的是引用计数的策略。

但是引用计数有两个缺点： 

1. 需要开辟额外的空间来计数。

2. 存在循环引用的情况。会导致引用计数的判定逻辑出错

举个例子：

class Test {
    public Test n; 
}


Test a = new Test();  // 此时 a 引用指向的 Test 对象计数器 = 1
Test b = new Test();  // 此时 b 引用指向的 Test 对象计数器 = 1

a.n = b; // 此时 b 引用指向的 Test 对象又被 a-> Test 的成员n 引用指向， b-> Test 计数器 +1 = 2

b.n = a; // 此时 a 引用指向的 Test 对象又被 b-> Test 的成员n 引用指向， a -> Test 计数器 +1 = 2

如果此时，把 a ,b  引用销毁，那么各自引用的 Test 对象计数器 - 1， 但是 Test 对象的成员变量 n 还保持着引用， 这俩对象的计数器并不是 0 ， 不能作为垃圾，但是这俩对象已经无法使用了。这就是陷入了逻辑的循环。

Java 并没有采用引用计数作为确定垃圾的策略，而是使用了可达性分析~

解决引用计数的问题可以采用其他的内存管理技术，如垃圾回收（Garbage Collection）。垃圾回收器可以通过追踪对象之间的引用关系，从根对象开始遍历访问可达对象，将不可达对象标记为垃圾并进行回收。垃圾回收器可以解决循环引用的问题，并且可以在适当的时机自动回收不再使用的内存，减少了手动内存管理的工作量。

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2.2 可达性分析 (Java 策略)

可达性分析，把对象之间的引用关系，理解成一个树形结构，从一些特殊的起点出发，进行遍历，要是能遍历到的对象，就是 “可达”， 那么 “不可达” 的当作垃圾处理即可。 

上述策略，垃圾回收器可以解决循环引用的问题。

可达性分析的要点：遍历需要有起点，以下可以作为起点。

1. 栈上的局部变量（引用）都是“起点” 都会进行遍历。

2. 常量池中引用的对象

3. 方法区中，静态成员引用的对象。

可达性分析：就是从所以的起点出发，看看该对象里是不是可以访问到其他对象，顺藤摸瓜，把所有可以访问的对象都遍历一遍，遍历的同时把对象标记为 “可达”， 那么剩下的就是 “不可达”就可以认为是垃圾。

可达性分析的缺点： 

1. 因为判断对象是否是垃圾，从起点开始需要进行遍历，这就意味着要消耗更多的时间，而且当某一个对象成为了垃圾，也不一定能够及时的发现。

2. 在进行可达性分析的时候，要从进行顺藤摸瓜，在这个过程中，如果当前代码中的对象引用关系发送了变化，也不能够及时的察觉，所以为了更准确的完成遍历标记，就需要其他业务线程暂停工作（STW 问题），这也是Java垃圾回收机制最大的缺点。

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三、释放“垃圾” 对象

通过上述讲解，我们已经知道了Java 如何确定“垃圾”，利用可达性分析。确定垃圾之后就需要对垃圾进行处理。 关于垃圾处理机制，有三种比较典型的策略：

3.1 标记清除

使用标记清除，就直接把标志垃圾对象处理里，释放了 ，但是这种方式明显的缺点就是会产生内存碎片，申请空间的时候都是申请 “一块连续的存储空间”，但现在内存的空闲空间是离散的，独立的空间，像这种离散的空间，假设有 1 G , 但是想一次性申请 200M 的空间还不一定能够申请到

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3.2 复制算法

复制算法：把整个内存空间，分成两段，一次只使用一半，再把不是垃圾的对象，拷贝到另外一边，然后再统一的释放整个区域。

复制算法可以解决内存碎片的问题，同时缺陷也是比较明显的：
1. 一次只是用一半的内存， 对内存的利用率比较低。

2. 如果标记删除的对象比较少，大部分都是要保留的对象，此时将要保留的对象复制到另一边，整个复制的成本是比较高的。

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3.3 标记整理

类似于ArrayList （顺序表）删除中间元素，为了保证数据的连续性，有一个搬运的过程。

标志整理，解决了内存碎片的问题，也提升了内存的利用率，但是每一次清除标记元素后，搬运数据的开销也是很大的。

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根据上述得三种清除标记对象的策略，我们知道，标记清除，会产生内存碎片，复制算法对内存的利用率不高，在要保留的数据很多的情况下，会执行大量的复制操作。标志整理，完美的改善了上述问题，但是又会涉及到大量的数据移动。

因此 JVM 清除标记的实现思路，结合了上述的三种思想 —— 分代回收思想

3.4 分代回收

分代回收，给对象设定了 “年龄“ 的概念，用来描述了这个对象存在了多久。

如果一个对象刚诞生，则认为是 0 岁，每次经过一轮可达性分析，没有被标记的对象就会涨一岁，通过这个年龄来区分这个对象的存活时间。

然后就可以根据不同年龄段的对象采取不同的回收策略。

 1.  新创建的对象，放在伊甸区
当垃圾回收（GC）扫描（可行性分析）到伊甸区之后，大部分对象都会在第一轮GC中被淘汰
在年轻代中，主要采用的回收策略是复制算法（Copying Algorithm）和标记-清除算法 （Mark-Sweep Algorithm）

 2. 伊甸区中的对象，如果没有在第一轮GC 中淘汰，就会通过复制算法，拷贝到生存区，生存区分为大小相同的两部分，一次只使用其中的一半，当生存区的对象在一轮GC 后被标记，其他幸存的对象就会通过复制算法拷贝到另一块未使用的幸存区，然后清除全部标记对象。如此交替。

 3. 当一个对象在生存区，经过若干论都没有被淘汰，年龄增长到一定的程度，就会通过复制算法拷贝到老年区，进入老年区的对象，被淘汰的概率就很低了，此时针对老年区 GC 的频率也随之降低，如果老年区中发现某个对象是垃圾，就使用标记整理删除。

 4. 特殊情况，当一个对象非常大的时候，是直接进入老年区的（大对象进行复制算法成本比较高）

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好了，到这里， 【JVM】垃圾回收机制 博主已经分享完了，这只是简单的概念性的理解，希望对大家有所帮助，如有不妥之处欢迎批评指正。 

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感谢每一位观看本篇文章的朋友，更多精彩敬请期待：保护小周ღ *★,°*:.☆(￣▽￣)/$:*.°★* 

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