jvm-垃圾回收的概念和理解

参考

尚硅谷：宋红康（b站视频）

一、垃圾回收的概述

1.1 关于垃圾回收

1. Java 和 C++语言的区别，垃圾收集技术、内存动态分配
2. 三个经典问题

• 哪些内存需要回收?
• 什么时候回收？
• 如何回收？

1.2 垃圾回收的基本原理

1. 在java中，我们不需要手动释放对象的内存，由JVM的垃圾回收线程自动对没有引用的对象进行回收
2. 创建对象时，GC开始监控这个对象的地址、大小以及使用情况。
3. GC采用有向图的方式记录和管理堆(heap)中的所有对象。通过这种方式确定哪些对象是"可达的"，哪些对象是"不可达的"。当GC确定一些对象为"不可达"时，GC就有责任回收这些内存空间

1.3 垃圾回收机制

1. 分代复制垃圾回收
2. 标记垃圾回收
3. 增量垃圾回收

1.4 什么是Grabage？

1. 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。
2. 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结束，被保留的空间无法被其他对象使用。甚至可能导致内存溢出。

1.5 为什么要有垃圾回收

1. 不进行垃圾回收，内存会很快消耗完。进行垃圾回收，释放内存空间。
2. 碎片整理，令新对象获得连续的内存空间。
3. STW的GC无法满足实际需求，需要对GC进行优化。

1.6 垃圾回收器存在的优缺点

1. 优点

• 无需手动分配回收内存，降低内存泄漏、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，泄露问题需要自己管理
• 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，可以更专注于业务开发

2. 缺点

• 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。

1.7 GC 的作用域

1. 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，其中，Java堆是垃圾收集器的工作重点
2. 次数层面

• 频繁收集年轻代
• 较少收集老年代
• 基本不收集永久代（元空间 matespace）

二、System.gc() 的理解

1. 在默认情况下，通过System.gc()者Runtime.getRuntime().gc() 的调用，会显式触发Full GC，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。
2. System.gc()调用无法保证对垃圾收集器的调用（不能确保立即生效）
3. 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。
4. 在一些特殊情况下，如我们正在编写一个性能基准，我们可以在运行之间调用System.gc()
5. 不可达对象回收行为
   

问题： 垃圾回收器可以马上回收内存吗？有什么办法主动通知虚拟机进行垃圾回收？
可以，手动执行System.gc()，通知GC运行，但Java语言规范并不保证GC一定会执行

三、内存溢出（OutofMemoryError）

1. 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
2. GC年轻代老年代的垃圾回收–>内存不足–>独占式Full GC操作–>回收大量内存，供应用程序继续使用。
3. Javadoc中对OOM的解释：没有空闲内存，并且垃圾收集器也无法提供更多内存。

• Java虚拟机的堆内存设置不够。
  a. 可能存在内存泄漏问题；也有可能是堆的大小设计不合理，比如要处理比较可观的数据量，但没有显式指定JVM堆大小或指定数值偏小
  b. 调整参数-Xms 、-Xmx
• 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）
  a. 对于老版本Oracle JDK，因为永久代大小有限，并且JVM对永久代垃圾回收（如，常量池回收、卸载不再需要的类型）非常不积极，所以当我们不断添加新类型时，永久代出现OutOfMemoryError
  b. 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
  c. 异常信息，会标记出永久代相关：“java.lang.OutOfMemoryError:PermGen space"
  d. 元数据区，本地内存，异常信息：“java.lang.OutofMemoryError:Metaspace"。直接内存不足，也会导致OOM。

四、内存泄漏

1. 不再被使用的对象或变量一直占据在内存中，但GC又不能回收
2. 内存泄漏，程序不会立刻崩溃，耗尽内存，最终出现OutofMemory异常，导致程序崩溃。
3. 存储空间：虚拟内存大小，取决于磁盘交换区设定的大小
4. 导致内存泄露的原因：长生命周期对象持有短生命周期对象的引用

内存泄露举例

1. 左边的图：Java使用可达性分析算法，最上面的数据不可达，需要被回收。
2. 右边的图：后期一些短生命周期对象不用，应断开引用，但长生命周期对象持有引用，导致短生命周期对象无法回收。
3. 单例模式：单例的生命周期和应用程序一样长，所以在单例程序中，若持有对外部对象的引用，那么这个外部对象不能被回收，导致内存泄漏。
4. 一些提供close()的资源未关闭导致内存泄漏：数据库连接 dataSourse.getConnection()，网络连接socket和io连接必须手动close，否则不能被回收。

五、Stop the World

1. 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。
2. 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。为什么需要停顿所有 Java 执行线程？

• 分析工作必须在一个能确保一致性的快照中进行
• 一致性指整个分析期间整个执行系统看起来像被冻结在某个时间点上
• 如果出现分析过程中对象引用关系还在不断变化，则分析结果的准确性无法保证

3. 虽然被STW中断的应用程序线程会在完成GC之后恢复，频繁中断令用户体验差，需要减少STW的发生。

注意事项:

• STW事件和采用哪款GC无关，所有的GC都有这个事件。
• 哪怕是G1也不能完全避免Stop-the-world情况发生，只能说回收效率越来越高，尽可能地缩短了暂停时间。
• 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。
• 开发中不要用System.gc() ，会导致Stop-the-World的发生。

六、垃圾回收的并行与并发

6.1 并发

1. 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
2. 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
3. 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

6.2 并行

1. 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）
2. 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

6.3 并发与并行的对比

1. 并发，指的是多个事情，在同一时间段内同时发生。
2. 并行，指的是多个事情，在同一时间点上同时发生。
3. 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不互相抢占资源。
4. 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。

6.4 垃圾回收的并行与串行

1. 并行（Parallel）

• 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。

2. 串行（Serial）

• 相较于并行概念，单线程执行。
• 如果内存不够，则程序暂停，启动JVM垃圾回收器进行垃圾回收（单线程）

3. 垃圾回收的并发（Concurrent）
   

• 指用户线程与垃圾收集线程同时执行（但不一定是并行的，可能会交替执行），垃圾回收线程在执行时不会停顿用户程序的运行。
• 比如用户程序在继续运行，而垃圾收集程序线程运行于另一个CPU上；
• 典型垃圾回收器：CMS、G1

七、安全点与安全区域

7.1 安全点（Safepoint）

1. 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）”。
2. Safe Point的选择很重要，如果太少可能导致GC等待的时间太长，如果太频繁可能导致运行时的性能问题。
3. 大部分指令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。如：选择一些执行时间较长的指令作为Safe Point，如方法调用、循环跳转和异常跳转等。

7.2 安全点的中断实现方式

1. 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？
2. 主动式中断：设置一个中断标志，各个线程运行到Safe Point的时候主动轮询这个标志，如果中断标志为真，则将自己进行中断挂起。（有轮询的机制）

7.3 安全区域（Safe Region）

1. 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？
2. 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。
3. 对于这种情况，就需要安全区域（Safe Region）来解决。
4. 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。我们也可以把Safe Region看做是被扩展了的Safepoint。

7.4 安全区域的执行流程

1. 当线程运行到Safe Region的代码时，首先标识已经进入了Safe Region，如果这段时间内发生GC，JVM会忽略标识为Safe Region状态的线程
2. 当线程即将离开Safe Region时，会检查JVM是否已经完成GC，如果完成了，则继续运行，否则线程必须等待直到收到可以安全离开Safe Region的信号为止；

八、强软弱虚引用的详解

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。

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。如图，显示了这3种引用类型对应的类。Reference子类中只有终结器引用是包内可见，其他3种引用类型均为public，可以在应用程序中直接使用

8.1 强引用（StrongReference）

发生 gc 的时候不会被回收

1. 最传统的“引用”的定义，是指在程序代码之中普遍存在的引用赋值，即类似“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。
2. 对于一个普通对象，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。
3. 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。

8.2 软引用（SoftReference）

内存不足即回收

1. 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。注意，这里的第一次回收是不可达的对象
2. 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。如果还有空闲内存，就可以暂时保留缓存，当内存不足时清理掉，这样就保证了使用缓存的同时，不会耗尽内存。
3. 垃圾回收器在某个时刻决定回收软可达的对象时，会清理软引用，并可选地把引用存放到一个引用队列（Reference Queue）。
4. 概括：内存足够：不会回收软引用可达对象。内存不够：会回收软引用可达对象

8.3 弱引用（WeakReference）

发现即回收

1. 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。在系统GC时，只要发现弱引用，不管系统堆空间使用是否充足，都会回收掉只被弱引用关联的对象。
2. 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。在这种情况下，弱引用对象可以存在较长的时间。
3. 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。
4. 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。如果这么做，当系统内存不足时，这些缓存数据会被回收，不会导致内存溢出。而当内存资源充足时，这些缓存数据又可以存在相当长的时间，从而起到加速系统的作用。
5. 弱引用对象与软引用对象的最大不同就在于，当GC在进行回收时，需要通过算法检查是否回收软引用对象，而对于弱引用对象，GC总是进行回收。弱引用对象更容易、更快被GC回收。
6. 面试题：你开发中使用过WeakHashMap吗？

WeakHashMap用来存储图片信息，可以在内存不足时，及时回收，避免OOM

8.4 虚引用（PhantomReference）

对象回收跟踪

1. 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。
2. 它不能单独使用，也无法通过虚引用来获取被引用的对象。当试图通过虚引用的get()方法取得对象时，总是null ，即通过虚引用无法获取到我们的数据
3. 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。比如：能在这个对象被收集器回收时收到一个系统通知。
4. 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。
5. 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。

案例：

• 第一次尝试获取虚引用的值，发现无法获取，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待回收的对象存入到引用队列中。

8.5 终结器引用

1. 用于实现对象的finalize() 方法
2. 无需手动编码，其内部配合引用队列使用
3. 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

九、总结

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