JVM 垃圾回收

GC 算法

一、垃圾判定方法

1. 引用计数法（Reference Counting）

原理：

  • 每个对象维护一个引用计数器
  • 当被引用时计数器+1，引用失效时-1
  • 计数器=0时判定为垃圾

示例：

// 针对 a 对象
Object a = new Object(); // 计数=1
Object b = a;            // 计数=2
a = null;                // 计数=1
b = null;                // 计数=0 → 可回收

优缺点：

  • ✅ 简单高效
  • ❌ 无法解决循环引用问题
  • ❌ 计数器维护开销大

循环引用：

对象已经指向 null（是垃圾）但计数器不是 0，所以不会回收。这就是内存泄漏

// 步骤1：创建对象
Node a = new Node(); // a 的计数器=1
Node b = new Node(); // b 的计数器=1

// 步骤2：建立循环引用
a.next = b; // b 的计数器=2
b.next = a; // a 的计数器=2

// 步骤3：断开外部引用
a = null;   // a 的计数器-1，结果是1，但对象已经是 null 了

2. 可达性分析（GC Roots Tracing）

原理：

  • 从GC Roots对象作为起点
  • 通过引用链遍历所有可达对象
  • 未被标记的对象判定为垃圾

GC Roots包括：

  • 虚拟机栈中的引用对象
  • 方法区静态属性引用对象
  • 方法区常量引用对象
  • Native方法引用的对象
  • 同步锁持有的对象

特点

可达性分析算法更安全，不会存在内存泄漏

但为了精确，在分析对象可达性时线程要暂停，是所有的线程，这就是 STW（stop the world）

二、垃圾回收算法

1. 标记-清除（Mark-Sweep）

这是最基础的算法，其他所有算法都是以这个作为基础来改进的

执行过程：

  1. 标记：遍历所有 GC Roots 对象，标记所有可达对象（不是垃圾的才标记）
  2. 清除：遍历堆中的所有对象，未标记的就删除

特点：

  • 两次遍历，一次遍历 GC Roots，一次遍历堆内存
  • 内存分布在初始本来是比较连续的，但是清除后可能大量不连续。这就是缺点：内存碎片

2. 标记-整理（Mark-Compact）

解决了内存碎片的问题，但是移动对象成本高。也有 标记-压缩 的叫法

执行过程：

  1. 标记：同 标记-清除 的标记效果一次，先标记可达对象
  2. 整理：移动存活对象到一端。具体是移动可达对象，将可达对象向左紧凑排列，并覆盖垃圾对象
# 标记后
[ 对象A(垃圾)   | 对象B(非垃圾) | 对象C(垃圾) | 对象D(非垃圾) ]

# 整理后
[ 对象B(非垃圾) | 对象D(非垃圾) | 对象C(垃圾)  | 空闲内存     ]

特点：

  • 移动对象能解决内存碎片问题，但成本高（时间换空间）
  • 整理后垃圾对象可能还存在于堆中，但是这块内存是可用的，下次分配时新对象直接覆盖这块区域

3. 复制算法（Copying）

执行过程：遍历 GC Roots 对象，把 from 区的可达对象复制到 to 区

特点：

  • 将内存分为大小相等的两块，每次只使用其中一块
  • 优点是无碎片，高效；缺点是内存利用率仅50%（空间换时间）
  • 遍历 GC Roots 时不会标记可达对象

4. 总结

  • 标记-清除 算法内存碎片太严重，现代垃圾收集器不会直接使用了（CMS 在 JDK1.4 - JDK1.8 期间还是主流，是因为当时没有好的替代方案）
  • 标记-整理 算法时间换空间，适用于空间更重要的场景
  • 复制 算法空间换时间，适用于时间更重要的场景

三、算法应用

新生代

新生代因为发生 GC 的频率比较高，相比来说更看重时间，所以新生代适合【复制】算法

新生代分为伊甸园区和两个幸存区（内存大小比例：8:1:1），内存回收流程如下：

  1. GC Roots 触发标记 Eden 和 From 区的存活对象
  2. Eden 和 From 区的存活对象复制到 To 区（复制算法）
  3. 把 To 区的对象复制到 From 区（为什么要交换？统计对象年龄，达到阈值对象进入老年代）

老年代

老年代空间大，占整个堆的2/3，对象存活时间比较长，回收效果没有新生代那么显著，所以更适合【标记-整理】算法

GC 区域和分类

新生代频繁发生、老年代很少发生、几乎不回收方法区

垃圾回收时所有线程会暂停

Minor GC（新生代回收）

  • 作用区域：仅回收新生代（Young Generation）
  • 触发条件：Eden 区空间不足时（Survivor 区内存不足不会触发）
  • 执行频率：最高（通常占所有 GC 的 90% 以上）

Major GC（老年代回收）

  • 作用区域：仅回收老年代（Old Generation）
  • 触发条件：老年代空间不足
  • 执行频率：较低（取决于对象晋升速度）

Minor GC 过程

  1. 回收 Eden 区：Eden 区存活的对象复制到 To 区，对象年龄=1
  2. 回收 From 区：From 区存活的对象复制到 To 区，对象年龄+1

这次 Minor GC 后，只有 To 区有对象，Eden 和 From 都是干净的（可能垃圾依然存在，但是这块内存是可用的）

下一次 Mino GC 时，回收 Eden 和 To 区，回收后只有 From 区有对象，Eden 和 To 是干净的（如此往复交换 From 和 To）

Full GC（整堆回收）

  • 作用区域：同时回收新生代+老年代+方法区
  • 触发条件：
    • 老年代空间不足
    • 方法区（元空间）空间不足
    • System.gc()调用（不一定立即触发）
    • 堆外内存分配失败

对比

特性 Minor GC Major GC Full GC
作用区域 新生代 老年代 整个堆+方法区
STW时间 短（毫秒级） 中等（百毫秒级） 长（秒级）
算法 复制 标记-清除/整理 混合算法
触发频率 高 中 低（应尽量避免）

对象生命周期

  1. 对象A分配在 Eden
  2. 发生 Minor GC 后：如果是垃圾就被回收，如果不是就从 Eden 复制到 To（年龄1）
  3. 再次发生 Minor GC 后：如果是垃圾就被回收，如果不是就从 To 复制到 From（年龄+1）
  4. 多次 Minor GC 后对象A可能依然存活（会在 From 和 To 反复复制，每复制一次，年龄+1）
  5. 当 对象A 经历 15 次 Minor GC 后，晋级到老年代
  6. 如果老年代发生 Major GC，对象A依然存活就不管他，如果是垃圾就被回收
  7. 如果发生 Full GC 对象A还是存活，也不管他，如果是垃圾就被回收

new 的对象如果太大（可配置），会直接进入老年代；标量替换优化可能不会创建对象

posted @ 2024-10-11 12:51  CyrusHuang  阅读(20)  评论(0)    收藏  举报