深入理解java垃圾回收机制

堆和栈的概念和区别

在说堆和栈之前，我们先说一下JVM（虚拟机）内存的划分：

Java程序在运行时都要开辟空间，任何软件在运行时都要在内存中开辟空间，Java虚拟机运行时也是要开辟空间的。JVM运行时在内存中开辟一片内存区域，启动时在自己的内存区域中进行更细致的划分，因为虚拟机中每一片内存处理的方式都不同，所以要单独进行管理。

JVM内存的划分有五片：

1. 寄存器；

2. 本地方法区；

3. 方法区；

4. 栈内存；

5. 堆内存。

我们重点来说一下堆和栈：

栈内存:栈内存首先是一片内存区域，存储的都是局部变量，凡是定义在方法中的都是局部变量（方法外的是全局变量），for循环内部定义的也是局部变量，是先加载函数才能进行局部变量的定义，所以方法先进栈，然后再定义变量，变量有自己的作用域，一旦离开作用域，变量就会被释放。栈内存的更新速度很快，因为局部变量的生命周期都很短。

堆内存:存储的是数组和对象（其实数组就是对象），凡是new建立的都是在堆中，堆中存放的都是实体（对象），实体用于封装数据，而且是封装多个（实体的多个属性），如果一个数据消失，这个实体也没有消失，还可以用，所以堆是不会随时释放的，但是栈不一样，栈里存放的都是单个变量，变量被释放了，那就没有了。堆里的实体虽然不会被释放，但是会被当成垃圾，Java有垃圾回收机制不定时的收取。

下面我们通过一个图例详细讲一下堆和栈：

比如主函数里的语句 int [] arr=new int [3];在内存中是怎么被定义的：

主函数先进栈，在栈中定义一个变量arr,接下来为arr赋值，但是右边不是一个具体值，是一个实体。实体创建在堆里，在堆里首先通过new关键字开辟一个空间，内存在存储数据的时候都是通过地址来体现的，地址是一块连续的二进制，然后给这个实体分配一个内存地址。数组都是有一个索引，数组这个实体在堆内存中产生之后每一个空间都会进行默认的初始化（这是堆内存的特点，未初始化的数据是不能用的，但在堆里是可以用的，因为初始化过了，但是在栈里没有），不同的类型初始化的值不一样。所以堆和栈里就创建了变量和实体：

那么堆和栈是怎么联系起来的呢?

我们刚刚说过给堆分配了一个地址，把堆的地址赋给arr，arr就通过地址指向了数组。所以arr想操纵数组时，就通过地址，而不是直接把实体都赋给它。这种我们不再叫他基本数据类型，而叫引用数据类型。称为arr引用了堆内存当中的实体。（可以理解为c或c++的指针，Java成长自c++和c++很像，优化了c++）

如果当int [] arr=null;

arr不做任何指向，null的作用就是取消引用数据类型的指向。

当一个实体，没有引用数据类型指向的时候，它在堆内存中不会被释放，而被当做一个垃圾，在不定时的时间内自动回收，因为Java有一个自动回收机制，（而c++没有，需要程序员手动回收，如果不回收就越堆越多，直到撑满内存溢出，所以Java在内存管理上优于c++）。自动回收机制（程序）自动监测堆里是否有垃圾，如果有，就会自动的做垃圾回收的动作，但是什么时候收不一定。

所以堆与栈的区别很明显：

1.栈内存存储的是局部变量而堆内存存储的是实体；

2.栈内存的更新速度要快于堆内存，因为局部变量的生命周期很短；

3.栈内存存放的变量生命周期一旦结束就会被释放，而堆内存存放的实体会被垃圾回收机制不定时的回收。

stack 和 heep 都是内存的一部分
stack 空间小，速度比较快，用来放对象的引用
heep 大，一般所有创建的对象都放在这里。

栈(stack):是一个先进后出的数据结构,通常用于保存方法(函数)中的参数,局部变量.
在java中,所有基本类型和引用类型都在栈中存储.栈中数据的生存空间一般在当前scopes内(就是由{...}括起来的区域).
堆(heap):是一个可动态申请的内存空间(其记录空闲内存空间的链表由操作系统维护),C中的malloc语句所产生的内存空间就在堆中.
在java中,所有使用new xxx()构造出来的对象都在堆中存储,当垃圾回收器检测到某对象未被引用,则自动销毁该对象.所以,理论上说java中对象的生存空间是没有限制的,只要有引用类型指向它,则它就可以在任意地方被使用.

        1. 栈(stack)与堆(heap)都是Java用来在Ram中存放数据的地方。与C++不同，Java自动管理栈和堆，程序员不能直接地设置栈或堆。
        2. 栈的优势是，存取速度比堆要快，仅次于直接位于CPU中的寄存器。但缺点是，存在栈中的数据大小与生存期必须是确定的，缺乏灵活性。另外，栈数据可以共享，详见第3点。堆的优势是可以动态地分配内存大小，生存期也不必事先告诉编译器，Java的垃圾收集器会自动收走这些不再使用的数据。但缺点是，由于要在运行时动态分配内存，存取速度较慢。
        3. Java中的数据类型有两种。
        一种是基本类型(primitive types), 共有8种，即int, short, long, byte, float, double, boolean, char(注意，并没有string的基本类型)。这种类型的定义是通过诸如int a = 3; long b = 255L;的形式来定义的，称为自动变量。值得注意的是，自动变量存的是字面值，不是类的实例，即不是类的引用，这里并没有类的存在。如int a = 3; 这里的a是一个指向int类型的引用，指向3这个字面值。这些字面值的数据，由于大小可知，生存期可知(这些字面值固定定义在某个程序块里面，程序块退出后，字段值就消失了)，出于追求速度的原因，就存在于栈中。
另外，栈有一个很重要的特殊性，就是存在栈中的数据可以共享。假设我们同时定义：
            int a = 3;
            int b = 3；
编译器先处理int a = 3；首先它会在栈中创建一个变量为a的引用，然后查找有没有字面值为3的地址，没找到，就开辟一个存放3这个字面值的地址，然后将a指向3的地址。接着处理int b = 3；在创建完b的引用变量后，由于在栈中已经有3这个字面值，便将b直接指向3的地址。
这样，就出现了a与b同时均指向3的情况。特别注意的是，这种字面值的引用与类对象的引用不同。
假定两个类对象的引用同时指向一个对象，如果一个对象引用变量修改了这个对象的内部状态，那么另一个对象引用变量也即刻反映出这个变化。
相反，通过字面值的引用来修改其值，不会导致另一个指向此字面值的引用的值也跟着改变的情况。
如上例，我们定义完a与b的值后，再令a=4；那么，b不会等于4，还是等于3。在编译器内部，遇到a=4；时，它就会重新搜索栈中是否有4的字面值，如果没有，重新开辟地址存放4的值；如果已经有了，则直接将a指向这个地址。因此a值的改变不会影响到b的值。
        另一种是包装类数据，如Integer, String, Double等将相应的基本数据类型包装起来的类。这些类数据全部存在于堆中，Java用new()语句来显示地告诉编译器，在运行时才根据需要动态创建，因此比较灵活，但缺点是要占用更多的时间。
        4.String是一个特殊的包装类数据。即可以用String str = new String("abc");的形式来创建，也可以用String str = "abc"；的形式来创建(作为对比，在JDK 5.0之前，你从未见过Integer i = 3;的表达式，因为类与字面值是不能通用的，除了String。而在JDK 5.0中，这种表达式是可以的！因为编译器在后台进行Integer i = new Integer(3)的转换！)。
前者是规范的类的创建过程，即在Java中，一切都是对象，而对象是类的实例，全部通过new()的形式来创建。Java中的有些类，如DateFormat类，可以通过该类的getInstance()方法来返回一个新创建的类，似乎违反了此原则。其实不然。该类运用了单例模式来返回类的实例，只不过这个实例是在该类内部通过new()来创建的，而getInstance()向外部隐藏了此细节。那为什么在String str = "abc"；中，并没有通过new()来创建实例，是不是违反了上述原则？其实没有。
5. 关于String str = "abc"的内部工作。Java内部将此语句转化为以下几个步骤：
(1)先定义一个名为str的对String类的对象引用变量：String str；
(2)在栈中查找有没有存放值为"abc"的地址，如果没有，则开辟一个存放字面值为"abc"的地址，接着创建一个新的String类的对象o，并将o的字符串值指向这个地址，而且在栈中这个地址旁边记下这个引用的对象o。如果已经有了值为"abc"的地址，则查找对象o，并返回o的地址。
(3)将str指向对象o的地址。
值得注意的是，一般String类中字符串值都是直接存值的。但像String str = "abc"；这种场合下，其字符串值却是保存了一个指向存在栈中数据的引用！
为了更好地说明这个问题，我们可以通过以下的几个代码进行验证。
            String str1 = "abc";
            String str2 = "abc";
            System.out.println(str1==str2); //true
注意，我们这里并不用str1.equals(str2)；的方式，因为这将比较两个字符串的值是否相等。==号，根据JDK的说明，只有在两个引用都指向了同一个对象时才返回真值。而我们在这里要看的是，str1与str2是否都指向了同一个对象。
结果说明，JVM创建了两个引用str1和str2，但只创建了一个对象，而且两个引用都指向了这个对象。
我们再来更进一步，将以上代码改成：
            String str1 = "abc";
            String str2 = "abc";
            str1 = "bcd";
            System.out.println(str1 + "," + str2); //bcd, abc
            System.out.println(str1==str2); //false
这就是说，赋值的变化导致了类对象引用的变化，str1指向了另外一个新对象！而str2仍旧指向原来的对象。上例中，当我们将str1的值改为"bcd"时，JVM发现在栈中没有存放该值的地址，便开辟了这个地址，并创建了一个新的对象，其字符串的值指向这个地址。
事实上，String类被设计成为不可改变(final)的类。如果你要改变其值，可以，但JVM在运行时根据新值悄悄创建了一个新对象，然后将这个对象的地址返回给原来类的引用。这个创建过程虽说是完全自动进行的，但它毕竟占用了更多的时间。在对时间要求比较敏感的环境中，会带有一定的不良影响。
再修改原来代码：
            String str1 = "abc";
            String str2 = "abc";
            str1 = "bcd";
            String str3 = str1;
            System.out.println(str3); //bcd
            String str4 = "bcd";
            System.out.println(str1 == str4); //true
str3这个对象的引用直接指向str1所指向的对象(注意，str3并没有创建新对象)。当str1改完其值后，再创建一个String的引用str4，并指向因str1修改值而创建的新的对象。可以发现，这回str4也没有创建新的对象，从而再次实现栈中数据的共享。
我们再接着看以下的代码。
            String str1 = new String("abc");
            String str2 = "abc";
            System.out.println(str1==str2); //false
创建了两个引用。创建了两个对象。两个引用分别指向不同的两个对象。
            String str1 = "abc";
            String str2 = new String("abc");
            System.out.println(str1==str2); //false
创建了两个引用。创建了两个对象。两个引用分别指向不同的两个对象。
以上两段代码说明，只要是用new()来新建对象的，都会在堆中创建，而且其字符串是单独存值的，即使与栈中的数据相同，也不会与栈中的数据共享。
6. 数据类型包装类的值不可修改。不仅仅是String类的值不可修改，所有的数据类型包装类都不能更改其内部的值。
7. 结论与建议：
(1)我们在使用诸如String str = "abc"；的格式定义类时，总是想当然地认为，我们创建了String类的对象str。担心陷阱！对象可能并没有被创建！唯一可以肯定的是，指向String类的引用被创建了。至于这个引用到底是否指向了一个新的对象，必须根据上下文来考虑，除非你通过new()方法来显要地创建一个新的对象。因此，更为准确的说法是，我们创建了一个指向String类的对象的引用变量str，这个对象引用变量指向了某个值为"abc"的String类。清醒地认识到这一点对排除程序中难以发现的bug是很有帮助的。
(2)使用String str = "abc"；的方式，可以在一定程度上提高程序的运行速度，因为JVM会自动根据栈中数据的实际情况来决定是否有必要创建新对象。而对于String str = new String("abc")；的代码，则一概在堆中创建新对象，而不管其字符串值是否相等，是否有必要创建新对象，从而加重了程序的负担。
(3)当比较包装类里面的数值是否相等时，用equals()方法；当测试两个包装类的引用是否指向同一个对象时，用==。
(4)由于String类的final性质，当String变量需要经常变换其值时，应该考虑使用StringBuffer类，以提高程序效率。

一、垃圾回收机制的意义

　　Java语言中一个显著的特点就是引入了垃圾回收机制，使c++程序员最头疼的内存管理的问题迎刃而解，它使得Java程序员在编写程序的时候不再需要考虑内存管理。由于有个垃圾回收机制，Java中的对象不再有“作用域”的概念，只有对象的引用才有“作用域”。垃圾回收可以有效的防止内存泄露，有效的使用空闲的内存。

　　ps:内存泄露是指该内存空间使用完毕之后未回收，在不涉及复杂数据结构的一般情况下，Java 的内存泄露表现为一个内存对象的生命周期超出了程序需要它的时间长度，我们有时也将其称为“对象游离”。

二、垃圾回收机制中的算法

　　Java语言规范没有明确地说明JVM使用哪种垃圾回收算法，但是任何一种垃圾回收算法一般要做2件基本的事情：（1）发现无用信息对象；（2）回收被无用对象占用的内存空间，使该空间可被程序再次使用。　　

1.引用计数法(Reference Counting Collector)

1.1算法分析　

　　引用计数是垃圾收集器中的早期策略。在这种方法中，堆中每个对象实例都有一个引用计数。当一个对象被创建时，且将该对象实例分配给一个变量，该变量计数设置为1。当任何其它变量被赋值为这个对象的引用时，计数加1（a = b,则b引用的对象实例的计数器+1），但当一个对象实例的某个引用超过了生命周期或者被设置为一个新值时，对象实例的引用计数器减1。任何引用计数器为0的对象实例可以被当作垃圾收集。当一个对象实例被垃圾收集时，它引用的任何对象实例的引用计数器减1。

1.2优缺点

优点：

　　引用计数收集器可以很快的执行，交织在程序运行中。对程序需要不被长时间打断的实时环境比较有利。

缺点：

　　无法检测出循环引用。如父对象有一个对子对象的引用，子对象反过来引用父对象。这样，他们的引用计数永远不可能为0.

1.3引用计数算法无法解决循环引用问题，例如：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        MyObject object1 = new MyObject();
        MyObject object2 = new MyObject();
         
        object1.object = object2;
        object2.object = object1;
         
        object1 = null;
        object2 = null;
    }
}

　　最后面两句将object1和object2赋值为null，也就是说object1和object2指向的对象已经不可能再被访问，但是由于它们互相引用对方，导致它们的引用计数器都不为0，那么垃圾收集器就永远不会回收它们。

2.tracing算法(Tracing Collector) 或标记-清除算法(mark and sweep)

2.1根搜索算法

　　根搜索算法是从离散数学中的图论引入的，程序把所有的引用关系看作一张图，从一个节点GC ROOT开始，寻找对应的引用节点，找到这个节点以后，继续寻找这个节点的引用节点，当所有的引用节点寻找完毕之后，剩余的节点则被认为是没有被引用到的节点，即无用的节点。

java中可作为GC Root的对象有

　　1.虚拟机栈中引用的对象（本地变量表）

　　2.方法区中静态属性引用的对象

　　3. 方法区中常量引用的对象

　　4.本地方法栈中引用的对象（Native对象）

2.2tracing算法的示意图

2.3标记-清除算法分析

　　标记-清除算法采用从根集合进行扫描，对存活的对象对象标记，标记完毕后，再扫描整个空间中未被标记的对象，进行回收，如上图所示。标记-清除算法不需要进行对象的移动，并且仅对不存活的对象进行处理，在存活对象比较多的情况下极为高效，但由于标记-清除算法直接回收不存活的对象，因此会造成内存碎片。

3.compacting算法或标记-整理算法

　　标记-整理算法采用标记-清除算法一样的方式进行对象的标记，但在清除时不同，在回收不存活的对象占用的空间后，会将所有的存活对象往左端空闲空间移动，并更新对应的指针。标记-整理算法是在标记-清除算法的基础上，又进行了对象的移动，因此成本更高，但是却解决了内存碎片的问题。在基于Compacting算法的收集器的实现中，一般增加句柄和句柄表。

4.copying算法(Compacting Collector)

　　该算法的提出是为了克服句柄的开销和解决堆碎片的垃圾回收。它开始时把堆分成一个对象面和多个空闲面，程序从对象面为对象分配空间，当对象满了，基于copying算法的垃圾收集就从根集中扫描活动对象，并将每个活动对象复制到空闲面(使得活动对象所占的内存之间没有空闲洞)，这样空闲面变成了对象面，原来的对象面变成了空闲面，程序会在新的对象面中分配内存。一种典型的基于coping算法的垃圾回收是stop-and-copy算法，它将堆分成对象面和空闲区域面，在对象面与空闲区域面的切换过程中，程序暂停执行。

5.generation算法(Generational Collector)

　　分代的垃圾回收策略，是基于这样一个事实：不同的对象的生命周期是不一样的。因此，不同生命周期的对象可以采取不同的回收算法，以便提高回收效率。

年轻代（Young Generation）

　　1.所有新生成的对象首先都是放在年轻代的。年轻代的目标就是尽可能快速的收集掉那些生命周期短的对象。

　　2.新生代内存按照8:1:1的比例分为一个eden区和两个survivor(survivor0,survivor1)区。一个Eden区，两个 Survivor区(一般而言)。大部分对象在Eden区中生成。回收时先将eden区存活对象复制到一个survivor0区，然后清空eden区，当这个survivor0区也存放满了时，则将eden区和survivor0区存活对象复制到另一个survivor1区，然后清空eden和这个survivor0区，此时survivor0区是空的，然后将survivor0区和survivor1区交换，即保持survivor1区为空，如此往复。

　　3.当survivor1区不足以存放 eden和survivor0的存活对象时，就将存活对象直接存放到老年代。若是老年代也满了就会触发一次Full GC，也就是新生代、老年代都进行回收

　　4.新生代发生的GC也叫做Minor GC，MinorGC发生频率比较高(不一定等Eden区满了才触发)

年老代（Old Generation）

　　1.在年轻代中经历了N次垃圾回收后仍然存活的对象，就会被放到年老代中。因此，可以认为年老代中存放的都是一些生命周期较长的对象。

　　2.内存比新生代也大很多(大概比例是1:2)，当老年代内存满时触发Major GC即Full GC，Full GC发生频率比较低，老年代对象存活时间比较长，存活率标记高。

持久代（Permanent Generation）

　　用于存放静态文件，如Java类、方法等。持久代对垃圾回收没有显著影响，但是有些应用可能动态生成或者调用一些class，例如Hibernate 等，在这种时候需要设置一个比较大的持久代空间来存放这些运行过程中新增的类。

三.GC（垃圾收集器）

新生代收集器使用的收集器：Serial、PraNew、Parallel Scavenge

老年代收集器使用的收集器：Serial Old、Parallel Old、CMS

Serial收集器（复制算法)

　　新生代单线程收集器，标记和清理都是单线程，优点是简单高效。

Serial Old收集器(标记-整理算法)

　　老年代单线程收集器，Serial收集器的老年代版本。

ParNew收集器(停止-复制算法)　

　　新生代收集器，可以认为是Serial收集器的多线程版本,在多核CPU环境下有着比Serial更好的表现。

Parallel Scavenge收集器(停止-复制算法)

　　并行收集器，追求高吞吐量，高效利用CPU。吞吐量一般为99%，吞吐量= 用户线程时间/(用户线程时间+GC线程时间)。适合后台应用等对交互相应要求不高的场景。

Parallel Old收集器(停止-复制算法)

　　Parallel Scavenge收集器的老年代版本，并行收集器，吞吐量优先

CMS(Concurrent Mark Sweep)收集器（标记-清理算法）

　　高并发、低停顿，追求最短GC回收停顿时间，cpu占用比较高，响应时间快，停顿时间短，多核cpu 追求高响应时间的选择

四、GC的执行机制

　　由于对象进行了分代处理，因此垃圾回收区域、时间也不一样。GC有两种类型：Scavenge GC和Full GC。

Scavenge GC

一般情况下，当新对象生成，并且在Eden申请空间失败时，就会触发Scavenge GC，对Eden区域进行GC，清除非存活对象，并且把尚且存活的对象移动到Survivor区。然后整理Survivor的两个区。这种方式的GC是对年轻代的Eden区进行，不会影响到年老代。因为大部分对象都是从Eden区开始的，同时Eden区不会分配的很大，所以Eden区的GC会频繁进行。因而，一般在这里需要使用速度快、效率高的算法，使Eden去能尽快空闲出来。

Full GC

对整个堆进行整理，包括Young、Tenured和Perm。Full GC因为需要对整个堆进行回收，所以比Scavenge GC要慢，因此应该尽可能减少Full GC的次数。在对JVM调优的过程中，很大一部分工作就是对于FullGC的调节。有如下原因可能导致Full GC：

　　1.年老代（Tenured）被写满

　　2.持久代（Perm）被写满

　　3.System.gc()被显示调用

　　4.上一次GC之后Heap的各域分配策略动态变化

五、Java有了GC同样会出现内存泄露问题

1.静态集合类像HashMap、Vector等的使用最容易出现内存泄露，这些静态变量的生命周期和应用程序一致，所有的对象Object也不能被释放，因为他们也将一直被Vector等应用着。

Static Vector v = new Vector(); 
for (int i = 1; i<100; i++) 
{ 
    Object o = new Object(); 
    v.add(o); 
    o = null; 
}

　　在这个例子中，代码栈中存在Vector 对象的引用 v 和 Object 对象的引用 o 。在 For 循环中，我们不断的生成新的对象，然后将其添加到 Vector 对象中，之后将 o 引用置空。问题是当 o 引用被置空后，如果发生 GC，我们创建的 Object 对象是否能够被 GC 回收呢？答案是否定的。因为， GC 在跟踪代码栈中的引用时，会发现 v 引用，而继续往下跟踪，就会发现 v 引用指向的内存空间中又存在指向 Object 对象的引用。也就是说尽管o 引用已经被置空，但是 Object 对象仍然存在其他的引用，是可以被访问到的，所以 GC 无法将其释放掉。如果在此循环之后， Object 对象对程序已经没有任何作用，那么我们就认为此 Java 程序发生了内存泄漏。

2.各种连接，数据库连接，网络连接，IO连接等没有显示调用close关闭，不被GC回收导致内存泄露。

3.监听器的使用，在释放对象的同时没有相应删除监听器的时候也可能导致内存泄露。

posted @ 2021-03-13 22:08 hanease 阅读(408) 评论(0) 编辑收藏举报

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