垃圾回收概述及算法

垃圾

1、在运行程序中,没有任何指针指向的对象

2、如果不及时对内存中的垃圾进行清理,则垃圾对象所占的内存空间会一直保留到应用程序的结束,被保留的空间无法被其它对象使用,甚至可能导致内存溢出

 

Java 垃圾回收机制

1、自动内存管理,无需开发人员手动参与内存的分配与回收,降低内存泄漏、内存溢出的风险

2、GC 工作区域:

(1)方法区

(2)堆(重点)

3、次数

(1)频繁收集新生代

(2)较少收集老年代

(3)基本不收集永久代 / 元空间

 

垃圾标记阶段

1、只有被标记为己经死亡的对象,GC 才会在执行垃圾回收时,释放掉其所占用的内存空间

2、在堆里存放着几乎所有 Java 对象实例,在 GC 执行垃圾回收之前,首先需要区分出内存中的存活对象、已死亡对象

3、死亡对象:当一个对象已经不再被任何的存活对象继续引用时

4、判断对象存活一般有两种方式

(1)引用计数算法

(2)可达性分析算法

 

引用计数算法(Reference Counting)

1、对每个对象保存一个整型的引用计数器属性,用于记录对象被引用情况

(1)对于一个对象 A,只要有任何一个对象引用 A,则 A 的引用计数器就加 1;当引用失效时,引用计数器就减 1

(2)只要对象 A 的引用计数器的值为 0,即表示对象 A 不可能再被使用,可进行回收

2、优点

(1)实现简单,垃圾对象便于辨识

(2)判定效率高,回收没有延迟性

3、缺点

(1)需要单独的字段存储计数器,增加存储空间的开销

(2)每次赋值都需要更新计数器,伴随着加法和减法操作,增加时间开销

(3)无法处理循环引用的情况,在 Java 的垃圾回收器中没有使用这类算法

4、循环引用:当 p 的指针断开时,内部的引用形成一个循环

 

可达性分析算法(根搜索算法、追踪性垃圾收集)

1、优点

(1)实现简单、执行高效

(2)有效地解决循环引用的问题,防止内存泄漏

2、Java、C# 选择可达性分析算法

3、基本思路

(1)内存中的存活对象,都会被根对象集合直接或间接连接

(2)以根对象集合(GC Roots)为起始点,按照从上至下的方式,搜索被根对象集合所连接的目标对象是否可达

(3)根集合(GC Roots):一组必须活跃的引用

(4)引用链(Reference Chain):搜索所走过的路径

(5)如果目标对象没有任何引用链相连,则是不可达,表示该对象己经死亡,可以标记为垃圾对象

(6)只有能够被根对象集合,直接或间接连接的对象为存活对象

 

在 Java 中 GC Roots 的元素

1、固定 GC Roots 集合

(1)虚拟机栈中引用的对象,如:各个线程被调用的方法中使用的参数、局部变量等

(2)本地方法栈内 JNI(本地方法)引用的对象

(3)方法区中类静态属性引用的对象

(4)方法区中常量引用的对象,如:字符串常量池中的引用

(5)所有被同步锁 synchronized 持有的对象

(6)JVM 内部的引用:基本数据类型对应的 Class 对象,一些常驻的异常对象(如:NullPointerException、OutOfMemoryError),系统类加载器

(7)反映 JVM 内部情况的 JMXBean、JVMTI 中注册的回调、本地代码缓存等

2、根据用户所选用的垃圾收集器,以及当前回收的内存区域不同,可以有其他临时性对象,共同构成完整 GC Roots 集合

(1)如:分代收集、局部回收(Partial GC)

(2)如果只针对 Java 堆中的某一块区域进行垃圾回收,该区域的对象有可能被其他区域的对象所引用,需要考虑将关联区域的对象,加入 GC Roots 集合中,才能保证可达性分析的准确性

3、判断技巧:因为 Root 采用栈方式存放变量和指针,所以如果一个指针保存堆中的对象,但是自身不存放在堆中,则其为一个 Root

4、注意

(1)如果要使用可达性分析算法来判断内存是否可回收,则分析工作必须在一个能保证数据一致性的快照中进行,否则分析结果的准确性就无法保证

(2)保证数据一致性,导致 GC 进行时必须 Stop The World,冻结用户线程

(3)即使是几乎不会发生停顿的 CMS 收集器中,枚举根节点时,也必须停顿

 

对象 finalization 机制

1、Java 提供对象终止(finalization)机制:允许在对象被销毁之前,自定义处理逻辑

(1)当垃圾回收器发现没有引用指向一个对象,垃圾回收此对象之前,总会先调用这个对象 finalize()

(2)finalize() 允许在子类中被重写,用于在对象被回收时进行资源释放

(3)通常在该方法中进行资源释放和清理的工作,比如:关闭文件、套接字、数据库连接等

2、永远不要主动调用某个对象的 finalize(),应该交给垃圾回收机制调用

(1)在 finalize() 时,可能会导致对象复活

(2)finalize() 执行时间没有保障,完全由 GC 线程决定,极端情况下,若不发生 GC,则 finalize() 方法将没有执行机会

(3)一个糟糕的 finalize() 会严重影响 GC 性能

3、从功能上,finalize() 与 C++ 中的析构函数相似,但 Java 采用基于垃圾回收器的自动内存管理机制,所以 finalize() 方法在本质上不同于 C++ 中的析构函数

4、定义虚拟机中的对象三种可能的状态

(1)可触及的:从根节点开始,可以到达这个对象

(2)可复活的:对象的所有引用都被释放,但是对象有可能在 finalize() 中复活

(3)不可触及的:对象的 finalize() 被调用,并且没有复活,则进入不可触及状态,不可触及的对象不可能被复活,因为 finalize() 只会被调用一次

(4)以上 3 种状态中,由于 finalize() 存在,进行区分,只有在对象不可触及时才可以被回收

5、判定一个对象 objA 是否可回收,至少要经历两次标记过程

(1)如果对象 objA 到 GC Roots 没有引用链,则进行第一次标记

(2)进行筛选,判断此对象是否有必要执行 finalize()

(3)如果对象 objA 没有重写 finalize(),或 finalize() 已经被虚拟机调用过,则虚拟机视为没有必要执行,objA 被判定为不可触及的

(4)如果对象 objA 重写 finalize(),且还未执行过,则 objA 会被插入到 F-Queue 队列中,由一个虚拟机自动创建的、低优先级的 Finalizer 线程,触发其 finalize() 执行

(5)finalize() 是对象不被 GC 的最后机会,稍后 GC 会对 F-Queue 队列中的对象进行第二次标记

(6)如果 objA 在 finalize() 中与引用链上的任何一个对象建立了联系,则在第二次标记时,objA 会被移出即将回收集合,对象会再次出现没有引用存在的情况,finalize 方法不会被再次调用,对象会直接变成不可触及的状态,即一个对象的 finalize() 只会被调用一次

 

清除阶段

1、当成功区分出内存中存活对象、死亡对象后,GC 之后执行垃圾回收,释放无用对象所占用的内存空间,以便有足够的可用内存空间为新对象分配内存

2、在 JVM 中比较常见的三种垃圾收集算法

(1)标记-清除算法(Mark-Sweep)

(2)复制算法(Copying)

(3)标记-压缩算法(Mark-Compact)

3、对比

  标记-清除算法 复制算法 标记-压缩算法
速率 中等 最慢 最快
空间开销 少(但会堆积碎片) 少(不堆积碎片) 需要存活对象的 2 倍空间(不堆积碎片)
移动对象

 

标记-清除算法(Mark-Sweep)

1、非常基础和常见的垃圾收集算法

2、执行过程

(1)当堆中的有效内存空间(available memory)被耗尽时,就会停止整个程序(Stop The World),然后进行两项工作,第一项则是标记,第二项则是清除

(2)标记:Collector 从引用根节点开始遍历,标记所有被引用的对象,一般是在对象的 Header 中记录为可达对象

(3)清除:Collector 对堆内存从头到尾进行线性的遍历,如果发现某个对象在其 Header 中没有标记为可达对象,则将其回收

3、缺点

(1)效率不高

(2)在进行 GC 的时候,需要停止整个应用程序

(3)清理的空闲内存是不连续的,产生内存碎片,需要维护一个空闲列表

4、清除

(1)不是真的置空,而是把需要清除的对象地址,保存在空闲的地址列表中

(2)下次有新对象需要加载时,判断垃圾的位置空间是否足够,如果足够,就存放覆盖原有的地址

 

复制(Copying)算法

1、解决标记-清除算法在垃圾收集效率方面的缺陷

2、核心思想

(1)将活着的内存空间分为两块,每次只使用其中一块

(2)在垃圾回收时,将正在使用的内存中存活对象,复制到未被使用的内存块中

(3)之后清除正在使用的内存块中的所有对象,交换两个内存的角色,最后完成垃圾回收

3、优点

(1)没有标记和清除过程,实现简单,运行高效

(2)复制过去以后保证空间的连续性,不会出现内存碎片

4、缺点

(1)需要两倍的内存空间

(2)对于 G1 分拆内存为大量 region 的 GC,使用复制算法,GC 需要维护 region 之间对象引用关系,内存占用、时间开销较大

(3)如果系统中的垃圾对象较少,复制算法需要复制的存活对象数量较多,GC 效率低

5、应用场景

(1)要求:垃圾对象多,所需复制的存活对象相对较少

(2)新生代:一次 GC 通常可以回收 70% - 99% 内存空间,回收效率高

 

标记-压缩(标记-整理、Mark-Compact)算法

1、复制算法的高效,建立在存活对象少、垃圾对象多的情况下,但是在老年代,大部分对象都是存活对象

2、标记-清除算法应用在老年代,但执行效率低下,而且在执行完内存回收后,还会产生内存碎片

3、执行过程

(1)第一阶段:和标记清除算法相同,从根节点开始标记所有被引用对象

(2)第二阶段:将所有的存活对象压缩到内存的一端,按顺序排放

(3)清理边界外所有的空间

4、标记-压缩算法、标记-清除算法

(1)标记-压缩算法的最终效果,等价于标记-清除算法执行完成后,再进行一次内存碎片整理

(2)本质差异:标记-清除算法是一种非移动式,标记-压缩是移动式

5、需要给新对象分配内存时,JVM 只需要持有一个内存的起始地址即可,比维护一个空闲列表的开销少

 

指针碰撞(Bump the Pointer)

1、如果内存空间以规整和有序的方式分布,即已用和未用的内存都各自一边,彼此之间维系着一个记录下一次分配起始点的标记指针,当为新对象分配内存时,只需要通过修改指针的偏移量将新对象分配在第一个空闲内存位置上

2、优点

(1)消除标记-清除算法当中,内存区域分散的缺点,需要给新对象分配内存时,JVM 只需要持有一个内存的起始地址即可

(2)消除复制算法当中,内存减半的代价

3、缺点

(1)从效率上,标记-整理算法要低于复制算法

(2)移动对象的同时,如果对象被其他对象引用,则还需要调整引用的地址

(3)移动过程中,需要全程暂停用户应用程序,即 STW

 

分代收集算法

1、基于:不同的对象的生命周期不同

(1)不同生命周期的对象,采取不同的收集方式,提高回收效率

(2)一般把 Java 堆分为新生代、老年代,根据各个年代的特点使用不同的回收算法,以提高垃圾回收的效率

(3)生命周期长:与业务直接挂钩,如:Http 请求中的 Session 对象、线程、Socket 连接

(4)生命周期较短:程序运行过程中生成的临时变量,如:系统会产生大量 String 对象,由于其不变性,有些只用一次即可回收

2、目前几乎所有 GC 都采用分代收集算法

3、年轻代

(1)特点:区域相对老年代较小,对象生命周期短、存活率低、回收频繁

(2)复制算法速度最快,效率只和当前存活对象大小有关

(3)通过 HotSpot 中的两个 survivor 设计,缓解复制算法内存利用率不高的问题

4、老年代

(1)特点:区域较大,对象生命周期长、存活率高,回收不及年轻代频繁

(2)由标记-清除,或标记-清除、标记-整理混合实现

(1)标记阶段的开销,与存活对象的数量成正比

(2)交换阶段的开销,与所管理区域的大小成正比

(3)压缩阶段的开销,与存活对象的数据成正比

5、以 HotSpot 中的 CMS 回收器为例

(1)CMS 基于 Mark-Sweep 实现的,对于对象的回收效率很高

(2)对于碎片问题,CMS 采用基于 Mark-Compact 算法的 Serial Old 回收器,作为补偿措施:当内存回收不佳(碎片导致的 Concurrent Mode Failure 时),将采用 Serial Old 执行 Full GC 以达到对老年代内存的整理

 

增量收集算法

1、上述现有算法,在垃圾回收过程中,一次性处理所有垃圾,应用软件将处于一种 Stop the World 状态

(1)在 Stop the World 状态下,应用程序所有的线程都会挂起,暂停一切正常的工作,等待垃圾回收的完成

(2)如果垃圾回收时间过长,应用程序会被挂起很久,将严重影响用户体验或者系统的稳定性

2、基本思想

(1)让垃圾收集线程和应用程序线程交替执行

(2)每次,垃圾收集线程只收集一小片区域的内存空间,接着切换到应用程序线程。依次反复,直到垃圾收集完成

(3)基础:标记-清除、复制算法

(4)通过对线程间冲突的妥善处理,允许垃圾收集线程以分阶段的方式完成标记、清理或复制工作

3、优点:减少系统的停顿时间

4、缺点:线程切换和上下文转换的消耗,会使得垃圾回收的总体成本上升,造成系统吞吐量的下降

 

分区算法

1、一般来说,在相同条件下,堆空间越大,一次 GC 时所需要的时间就越长,有关 GC 产生的停顿也越长

2、将一块大的内存区域分割成多个小块,根据目标的停顿时间,每次合理地回收若干个小区间,而不是整个堆空间,从而减少一次 GC 所产生的停顿

3、分代、分区

(1)分代算法:按照对象的生命周期长短划分成两个部分

(2)分区算法:将整个堆空间划分成连续的不同小区间,每一个小区间都独立使用,独立回收

4、优点:可以控制一次回收多少个小区间

posted @   半条咸鱼  阅读(352)  评论(0编辑  收藏  举报
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