Java GC基础知识

1 对象存活判断

1.1 引用计数

在对象中添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器值就加一；当引用失效时，计数器值就减一；任何时刻计数器为零的对象就是不可 能再被使用的

引用计数法的缺陷：

public class ReferenceCountingGC {
    public Object instance = null;
    private static final int _1MB = 1024 * 1024;
    /**
    * 这个成员属性的唯一意义就是占点内存，以便能在GC日志中看清楚是否有回收过
    */
    private byte[] bigSize = new byte[2 * _1MB];
    public static void testGC() {
        ReferenceCountingGC objA = new ReferenceCountingGC();
        ReferenceCountingGC objB = new ReferenceCountingGC();
        objA.instance = objB;
        objB.instance = objA;
        objA = null;
        objB = null;
        // 假设在这行发生GC，objA和objB是否能被回收？
        System.gc();
    }
}

如果使用引用计数法，objA和objB除互相引用外没有任何其他引用，但是无法被回收。

1.2 可达性分析

通过一些了GC Roots的根对象作为起点集，根据引用关系向下搜索，搜索过程所走过的路径称为引用链，如果某个对象和GC Roots之间没有任何引用链，则该对象不可达，需要被回收。

GC Roots 对象

• 虚拟机栈(局部变量表)中引用的对象
• 方法区中静态属性引用的对象
• 方法区在常量引用的对象
• 本地方法栈中Native方法引用的对象
• Java虚拟机内部的引用
• 被同步锁持有的对象
• 等等

Java 引用

引用类型	描述
强引用	Object obj = new Object(); 垃圾回收器永远不会回收强引用对象
软引用	SoftReference; 系统发生内存溢出异常前，会回收软引用对象
弱引用	WeakReference; 无论内存是否足够，垃圾回收时都会回收弱引用对象
虚引用	PhantomReference; 该对象设置虚引用关联，唯一目的是该对象被回收时会收到一个系统通知

1.3 并发可达性分析

可达性分析在并发环境下存在的问题

问题1: 原本消亡的对象错误标记为存活对象(可容忍)

问题2: 原本存活的对象错误标记为消亡对象(不可容忍，导致程序出错)

可达性分析过程 —— 三色标记

• 黑色节点: 对象已经被垃圾收集器访问过，且该对象的所有引用均已扫描
• 灰色节点: 对象已经被垃圾收集器访问过，但该对象至少还有一个引用未被扫描
• 白色节点: 对象尚未被垃圾收集器访问，可达性分析结束后，节点仍然为白色，则标识该对象不可达

问题2出现的原因: 同时满足以下两个条件

• 并发标记期间程序增加一条或多条黑色对象到白色对象的引用
• 并发标记期间删除了所有灰色对象到该白色对象的直接或间接引用

因为黑色对象已经不会再被访问，所以新增的引用无法生效；同时删除了所有其他灰色对象到该白色对象的直接或间接引用，所以该对象无法从其他引用链访问到，导致存活对象被错误标记为消亡对象。

解决方案

• 增量更新: 当黑色对象插入新的指向白色对象的引用关系时，就将这个新插入的引用记录下来，等并发扫描结束之后，再将这些记录过的引用关系中的黑色对象为根，重新扫描一次。如CMS垃圾回收器。
• 原始快照: 当灰色对象要删除指向白色对象的引用关系时，就将这个要删除的引用记录下来，在并发扫描结束之后，再将这些记录过的引用关系中的灰色对象为根，重新扫描一次。如G1垃圾回收器

2 垃圾回收算法

2.1 标记-清除算法

主要分为“标记”和“清除”两个阶段：首先标记出所有需要回收的对象，在标记完成后，统一回收掉所有被标记的对象

存在的缺陷：

1. 执行效率不稳定，随着标记对象数量的增长而降低
2. 内存空间碎片化问题，标记-清除会产生大量不连续的内存碎片

2.2 标记-复制算法

将可用内存按容量划分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块。

当某一块内存快用完了，就将存活的对象复制到另一块内存上，然后把原来的内存空间直接清理即可。

相较于标记-清除算法的优点：

1. 每次针对一个半区进行清理，不会产生碎片化的内存空间

存在的缺陷：

1. 如果内存中多数对象都是存活对象，则会产生大量的内存间复制开销
2. 将可用内存缩小为原来的一半，空间利用率低

现代Java虚拟机大多采用标记-复制算法回收新生代，因为新生代中只有极少数对象会存活。

2.3 标记-整理算法

首先标记出所有需要回收的对象；让所有存活对象向内存空间的一侧移动，最后清理掉边界以外的内存。

存在的缺陷：

1. 移动存活对象并更新所有引用这些对象的地方是极为负重的操作，而且这种对象移动操作必须暂停用户程序才能进行(Stop The World)

3垃圾回收器

3.1 CMS收集器

Concurrent Mark Sweep(CMS) 收集器是一种以获取最短回收停顿时间(STW)为目标的收集器。该回收器基于标记-清除算法实现。

CMS收集器工作过程

1. 初始标记(STW): 标记 GC Roots 能直接关联到的对象，速度很快
2. 并发标记: 从 GC Roots 直接关联对象开始遍历整个对象图，不需要停顿用户线程
3. 重新标记(STW): 修正并发标记，增量更新
4. 并发清除: 清理掉所有消亡对象

CMS收集器由于使用并发-清除算法回收，会产生大量的内存空间碎片，可用暂时容忍；当内存空间的碎片化程度影响到对象分配时，再采用一次标记-整理算法，以获得规整的内存空间。

3.2 G1收集器

Grabage First(G1) 收集器开创了面向局部收集的设计思路和基于Region的内存布局形式。

基于 Region 的堆内存布局

• 把连续的Java堆划分为多个大小相等的独立区域(Region)，每一个 Region 都可用根据需分配给新生代Eden空间、Suvivor空间或者老年代空间。收集器对不同空间的 Region 块采用不同的策略处理。

• Region 中还有一类特殊的 Humongous 区域(被视为老年代的一部分)，专门用于存储大对象。G1认为只要大小超过一个Region块容量一半的对象就是大对象。每个 Region 大小为 1M ~ 32M，对于超过了整个 Region 容量的超级大对象会被存储到N个连续的Humongous Region块中。

• G1虽然仍然保留了新生代和老年代的概念，但新生代和老年代的空间和位置不再是固定的，是一系列Region的集合。

G1收集器工作过程

• 初始标记(STW): 标记 GC Roots 能直接关联到的对象
• 并发标记: 从 GC Roots 直接关联对象开始遍历整个对象图，不需要停顿用户线程
• 最终标记(STW): 处理并发标记阶段结束后仍然遗留下来的STAB(原始快照)记录
• 筛选回收: 对各个Region块的回收价值和成本进行排序，根据期望的停顿时间指定回收计划，可用自由选择任意多个Region回收，然后将被回收的Region块中存活的对象复制到空的Region中

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参考文章

1. 深入理解Java虚拟机第3版