我对JVM中GC机制的理解

作为一名Java编程者,想要往高级进阶,内存管理往往是避不开的环节,而 垃圾回收 以下简称GC(Garbage Collection) 机制作为内存管理最重要的一个部分,是我们必须要掌握的。今天就分享下我对 垃圾回收机制分代回收策略 的理解.

目录

  • 1. 背景

  • 2. 两种回收机制

    • 2.1. 引用计数
    • 2.2. 可达性分析
  • 3. 回收算法

    • 3.1. 标记清除算法
    • 3.2. 复制算法
    • 3.3. 标记压缩算法
  • 4. 分代回收策略

    • 4.1. 新生代
    • 4.2. 老生代
  • 5. 四大引用

1. 背景

一般来讲,在我们编程的过程中是会不断的往内存中写入数据的,而这些数据用完了要及时从内存中清理,否则会引发 OutOfMemory(内存溢出) ,所以每个编程者都必须遵从这一原则。 听说(我也不懂C语言~)在C语言阶段, 垃圾是需要编程者自己手动回收的,而我们Javaer相对来说就要幸福多了,因为JVM存在 GC机制 ,也就是说JVM会帮我们自动清理垃圾,但幸福也是有代价的,因为总是会有些垃圾对象阴差阳错的避开 GC算法 ,这一现象也称之为 内存泄漏 ,所以只有掌握了GC机制才能避免写出内存泄漏的程序。

2. 两种回收机制

2.1 引用计数

什么是引用计数呢?打个比方 A a = new A()代码A 对象被引用 a 所持有,此时引用计数就会 +1 ,如果 a 将引用置为 nulla = null 此时对象 A 的引用计数就会变为 0 ,GC算法检测到 A 对象引用计数为 0 就会将其回收。很简单,但引用计数存在一定弊端

场景如下:

A a = new A();
B b = new B();
a.next = b;
b.next = a;
a = null;
b = null;
复制代码

执行完上述代码后 AB 对象会被回收吗?看似引用都已经置为 null ,但实际上 abnext 分别持有对方引用,形成了一种相互持有引用的局面,导致 AB 即使成了垃圾对象且不能被回收。有些同学可能会说,内存泄漏太容易看出来了, ab 置空前将各自的 next 置为空不就完了。嗯,这样说没错,但是在实际业务中面对庞大的业务逻辑内存泄漏是很难一眼看出的。所以JVM在后来摒弃了引用计数,采用了可达性分析。

2.2 可达性分析

可达性分析其实是数学中的一个概念,在JVM中,会将一些特殊的引用作为 GcRoot ,如果通过 GcRoot 可以访达的对象不会被当作垃圾对象。换种方式说就是,一个对象被 GcRoot 直接 或 间接持有,那么该对象就不会被当作垃圾对象。用一张图表示大概就是这个样子:

我对JVM中GC机制的理解

图中 A、B、C、D可 以被 GcRoot 访达,所以不会被回收。 E、F 不能被 GcRoot 访达,所以会被标记为垃圾对象。最典型的是 G、H ,虽说相互引用,但不能被 GcRoot 访达,所以也会被标记为垃圾对象。综上所述: 可达性分析 可以解决 引用计数 中 对象相互引用 不能被回收的问题。

什么类型的引用可作为 GcRoot 呢。 大概有如下四种:

  • 栈中局部变量
  • 方法区中静态变量
  • 方法区中常量
  • 本地方法栈JNI的引用对象

注意点

千万不要把引用和对象两个概念混淆,对象是实实在在存在于内存中的,而引用只是一个变量/常量并持有对象在内存中的地址指。

下面我来通过一些代码来验证几种 GcRoot

局部变量

笔者是用Android代码进行调试,不懂Android的同学把 onCreate 视为 main 方法即可。

public class MyApp extends Application {

    @Override
    public void onCreate() {
        super.onCreate();
        method();
    }

    private void method(){
        Log.i("test","method start");
        A a = new A();
        try {
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        Log.i("test","method end");
    }

    class A{
        @Override
        protected void finalize() throws Throwable {
            Log.i("test","finalize A");
        }
    }
}

复制代码

提示

finalize

打印结果如下:

17:58:57.526   method start
17:58:59.526   method end
17:58:59.591   finalize A
复制代码

method方法执行时间是2000毫秒, 对象Amethod 方法结束立即被回收。所以可以认定栈中局部变量可作为 GcRoot

本地方法区静态变量

public class MyApp extends Application {

    private static A a;
    @Override
    public void onCreate() {
        super.onCreate();
        Log.i("test","onCreate");
        a = new A();
        try {
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        a = null;
        Log.i("test","a = null");
    }
}
复制代码

打印结果如下:

18:12:35.988   a = new A()
18:12:38.028   a = null
18:12:38.096   finalize A
复制代码

创建一个 A 对象赋值给静态变量 a , 2000毫秒后将静态变量 a 置为空。通过日志可以看出对象 A 在静态变量 a 置空后被立即回收。所以可以认定静态变量可作为 GcRoot

方法区常量与静态变量验证过程完全一致,关于native 验证过程比较复杂,感兴趣的同学可自行验证。

验证成员变量是否可作为GcRoot

public class MyApp extends Application {

    @Override
    public void onCreate() {
        super.onCreate();
        A a = new A();
        B b = new B();
        a.b = b;
        a = null;
    }

    class A{
        B b;
        @Override
        protected void finalize() throws Throwable {
            Log.i("test","finalize A");
        }
    }

    class B{
        @Override
        protected void finalize() throws Throwable {
            Log.i("test","finalize B");
        }
    }
}
复制代码

打印结果如下:

13:14:58.999   finalize A
13:14:58.999   finalize B
复制代码

通过日志可以看出, A、B 两个对象都被回收。虽然 B 对象被 A 对象中的 b 引用所持有,但成员变量不能被作为 GcRoot , 所以 B 对象不可达,进而会被当作垃圾。

3. 回收算法

上一小结描述了 GC 机制,但具体实现还是要靠算法,下面我简单描述一下几种常见的 GC算法

3.1. 标记清除算法

获取所有的 GcRoot 遍历内存中所有的对象,如果可以被 GcRoot 就加个标记,剩下所有的对象都将视为垃圾被清除。

  • 优点:实现简单,执行效率高
  • 缺点:容易产生 内存碎片(可用内存分布比较分散) ,如果需要申请大块连续内存可能会频繁触发 GC

3.2. 复制算法

将内存分为两块,每次只是用其中一块。首先遍历所有对象,将可用对象复制到另一块内存中,此时上一块内存可视为全是垃圾,清理后将新内存块置为当前可用。如此反复进行

  • 优点:解决了内存碎片的问题
  • 缺点:需要按顺序分配内存,可用内存变为原来的一半。

3.3. 标记压缩算法

获取所有的 GcRootGcRoot 开始从遍历内存中所有的对象,将可用对象压缩到另一端,再将垃圾对象清除。实则是牺牲时间复杂度来降低空间复杂度

  • 优点:解决了标记清除的 内存碎片 ,也不需要复制算法中的 内存分块
  • 缺点:仍需要将对象进行移动,执行效率略低。

4. 分代回收策略

在JVM中 垃圾回收器 是很繁忙的,如果一个对象存活时间较长,避免重复 创建/回收垃圾回收器 进一步造成负担,能不能牺牲点内存把它缓存起来? 答案是肯定的。JVM制定了 分代回收策略 为每个对象设置生命周期 ,堆内存会划分不同的区域,来存储各生命周期的对象。一般情况下对象的生命周期有 新生代、老年代、永久代(java 8已废弃)

4.1. 新生代

首先来看新生代内存结构示意图:

我对JVM中GC机制的理解

按照8:1:1将新生代内存分为 Eden、SurvivorA、SurvivorB

新生代内存工作流程:

  • 当一个对象刚被创建时会放到 Eden 区域,当 Eden 区域即将存满时做一次垃圾回收,将当前存活的对象复制到 SurvivorA ,随后将 Eden 清空
  • Eden 下一次存满时,再做一次垃圾回收,先将存活对象复制到 SurvivorB ,再把 EdenSurvivorA 所有对象进行回收,
  • Eden 再一次存满时,再做一次垃圾回收,将存活对象复制到 SurvivorA ,再把 EdenSurvivorB 对象进行回收。如此反复进行大概 15 次,将最终依旧存活的对象放入到老年代区域。

新生代工作流程与 复制算法 应用场景较为吻合,都是以复制为核心,所以会采用 复制算法

4.2. 老年代

根据对 上一小节 我们可以得知 当一个对象存活时间较久会被存入到 老年代 区域。 老年代 区即将被存满时会做一次垃圾回收,

所以 老年代 区域特点是存活对象多、垃圾对象少,采用 标记压缩 算法时移动少、也不会产生内存碎片。所以 老年代 区域可以选用 标记压缩 算法进一步提升效率。

5. 四大引用

在我们开发程序的过程中,避免不了会创建一些比较大的对象,比如Android中用于承载像素信息的 Bitmap ,使用稍有不当就会造成内存泄漏,如果存在大量类似对象对内存影响还是蛮大的。

为了尽可能避免上述情况的出现,JVM为我们提供了四种对象引用方式: 强引用、软引用、弱引用、虚引用 供我们选择,下面我用一张表格来做一下类比

  • 假设以下所述对象可被 GcRoot 访达
引用类型 回收时机
强引用 绝不会被回收(默认)
软引用 内存不足时回收
弱引用 第一次触发GC时就会被回收
虚引用 随时都会被回收,不存在实际意义

参考文献:《Android 工程师进阶 34 讲》 第二讲

原文 

https://juejin.im/post/5effe632f265da22ea0a25fa

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