浅析Java垃圾回收机制

Java垃圾回收机制

　在C++中，对象所占的内存在程序结束运行之前一直被占用，在明确释放之前不能分配给其它对象；而在Java中，当没有对象引用指向原先分配给某个对象的内存时，该内存便成为垃圾。JVM的一个系统级线程会自动释放该内存块。垃圾回收意味着程序不再需要的对象是”无用信息”，这些信息将被丢弃。当一个对象不再被引用的时候，内存回收它占领的空间，以便空间被后来的新对象使用。事实上，除了释放没用的对象，垃圾回收也可以清除内存记录碎片。由于创建对象和垃圾回收器释放丢弃对象所占的内存空间，内存会出现碎片。碎片是分配给对象的内存块之间的空闲内存洞。碎片整理将所占用的堆内存移到堆的一端，JVM将整理出的内存分配给新的对象。
　　垃圾回收能自动释放内存空间，减轻编程的负担。这使Java 虚拟机具有一些优点。首先，它能使编程效率提高。在没有垃圾回收机制的时候，可能要花许多时间来解决一个难懂的存储器问题。在用Java语言编程的时候，靠垃圾回收机制可大大缩短时间。其次是它保护程序的完整性， 垃圾回收是Java语言安全性策略的一个重要部份。
　　垃圾回收的一个潜在的缺点是它的开销影响程序性能。Java虚拟机必须追踪运行程序中有用的对象，而且最终释放没用的对象。这一个过程需要花费处理器的时间。其次垃圾回收算法的不完备性，早先采用的某些垃圾回收算法就不能保证100%收集到所有的废弃内存。当然随着垃圾回收算法的不断改进以及软硬件运行效率的不断提升，这些问题都可以迎刃而解。

• “垃圾对象”的判定
• 垃圾回收方式
• 分代模型
• 总结

1.“垃圾对象”的判定

作为一个垃圾回收机制，首要的任务必然就是判定出哪些对象是所谓的“垃圾对象”，方便回收。
这里介绍两种“垃圾对象”的判定方法。

①引用计数

首先在java的世界中，一切皆是对象，然后每一个对象都有一个引用计数器，每当有引用连接到某一对象的时候，那么引用计数增加1。当引用离开作用域或者 被置为null，那么引用计数减少1。当发生垃圾回收的时候，垃圾回收器会标记出引用计数为0的对象然后进行统一回收。这种算法的优点是高效，实现起来简单。

②根集扫描

GC Roots Tracing算法，也就是根搜索算法，那么什么叫根搜索算法呢，在讲根搜索算法之间首先要明确一个概念，就是什么是根，最常用的就是存活在堆栈 区或者静态存储区中的引用，GC roots有很多种，我们这里只是说了存在堆栈区的java local variables，根搜索算法的工作原理就是根据GC roots然后向下搜索，其实可以想象成一个BFS。如果一个对象到所有的GC roots都没有引用链跟这个对象相连，那么这个对象就会被标记，等待回收。
对于根集扫描，这里做一个例子：

Person p = new Person();
p.car = new Car(RED);
p.car.engine = new Engine();
p.car.horn = new AnnoyingHorn();

这部分的引用链如下：

            p
            ↓
        car(red)
        /      \
     engine    horn

此时，所有对象都在引用链上，所以没有对象会被回收。

若是添加一句：

p.car = new Car(BLUE)；      

其引用链更改为：

            p
            ↓
        car(blue)           car(red)
        /      \            /      \
     engine    horn     engine     horn

也就是说car(red)不在引用链上，所以在GC时，会被回收

2. 四种垃圾回收方式

①标记-清理（mark-sweep）

该回收方式是基于根集扫描来完成的。

优点：

简单

缺点：

产生大量内存碎片，且效率不高。
过多内存碎片的后果就是，可能在堆中找不到足够大的连续空间而提前出发GC。

②停止-复制（stop-copy）

这种算法是为了解决上面的标记-清扫的效率问题以及内存碎片的问题，首先这种算法将内存一份为二，每次只是使用其中的一块内存，然后当将一块内存上仍然存活的对象移到另一块内存上，然后将这块内存上使用的空间一次清理掉，内存分配的时候也不需要考虑内存碎片的问题，只需要移动堆顶指针即可完成连续存储，解决了内存碎片的问题（执行原理图如上所示）

③标记-整理

相比于标记-清除，这种方式在清除掉垃圾对象后将存活的对象重新进行移动整理。

优点：

减少内存碎片，提高利用率。

缺点：

移动对象，尤其是大对象，是不那么容易的。

④分代回收

这里有必要说明下Java的内存模型。

Young Generation(新生代)

首先看一下堆内存中新生代区是如何划分区域的，新生代是由三块区域构成，Eden区，两块Survivor区（一般，一块成为from，一块成为to）。当发生回收的时候，就是利用停止-复制算法，将Eden和地一块Survivor区域中存活的对象转移到另一块Survivor区域，然后清理掉Eden和第一块Survivor区域。Hotspot虚拟机中默认的Eden：Survovor=8:1,然后在运行中可以利用的新生代内存区域为90%，剩下的10%用来复制对象，但是你不能保证在发生回收的时候，只有10%的对象存活下来，一种极端情况，在Eden和一块Survivor区域的对象全部存活下来，那么这时候剩下的80%对象该何去何从，为了解决这种问题，就会出现内存的分配担保机制，剩下的80%对象就会被复制到老年代。

Old Generation(老年代)

Old代也称老年代，与Young代相对应。相对于Young代，Old代的对象更不容易死，也就是生命周期相对较长。那么，发生FullGC时，由于Old代的大小原来就比Young要大许多，而且其内的对象也不容易死，也就是短时间内不容易被注销，一直持有内存，一次FullGC的时间会变的很长。长此以往，每次FullGC之间的间隔会越来越短。而且，对于Old代来说，我们认为其中大部分对象都是存活的，活着的对象越多，整理后产生的内存碎片越多，对象移动越耗时。FullGC在Old满时，会被触发。
FullGC的悲观策略：
JVM会计算每次从Young晋升到Old的对象的大小，取平均值，当Old代剩余内存小于平均值时，会做一次FullGC,尝试释放内存，也就是说，Old还有空间，但是已经做了FullGC。
一种情况就是，假设每次晋升Old代的对象大小都是一百兆，那么当Old还有99兆的时候，由于悲观策略，FullGC启动，但事实是Old还有99兆的剩余空间。

Permanent Generation(永生代)

永久代一般是指我们说的方法区。
其内成员通常为Class信息（类加载时的信息），常量池(String常量池等)永久代满后，也会触发FullGC常量池，占有的是永久代内存，比如String的intern()方法，若该字符串在常量池中不存在，则在常量池中创建它，长此以往，永久代也会被填充满，触发FullGC，但是，常量池中的常量若是被引用持有，则无法被回收，最后导致的情况可能就是OOM（out of momery内存溢出）像静态引用，在类被加载时就已经分配了内存，声明周期通常是从类被加载开始到类被卸载。换句话说，静态引用通常以为这对象是长命的。
最开始，永生代的设计初衷是认为他是不可变的。但是随着技术的发展，字节码增强技术可以来改变Class的内部结构。而且常量池也存在于永生代，例如String的intern()方法，会影响到常量池的大小，产生不稳定性，不当的操作可能引发FullGC，但是这又不是我们期望看到的。同时，永生代的管理越来越贴近于堆区。所以在之后的设计中（JAVA8中取消了永生代），这块区域可能会被撤销。

基于以上分代信息，分代回收其实就是对前面提到的几种回收方式的恰当利用。

每一种算法都有自己的适用场景，例如：

1.由于新生代上的对象98%都是朝生夕死的，所以我们可以利用“停止-复制”算法来对新生代进行垃圾回收，因为新生代存活的对象不多，复制起来的成本可以接受。
2.老年代上的对象存活率比较高，而且我们没有额外的内存用来内存的分配担保，所有我们在老年代采用“标记-整理”算法。

3.总结

1.两种“垃圾对象”的判定方式
2.4种垃圾回收方式（实质上是3种）
3.JVM的分代模型（新生代、老年代、永久代）
4.分代回收对于分代模型的处理方式