谈谈 JVM 垃圾回收机制

前言

垃圾回收需要思考三件事情，哪些内存需要回收？什么时候回收？如何回收？

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一、哪些内存需要回收

JVM 的内存区域中，程序计数器、虚拟机栈和本地方法栈的生命周期是随线程而生，随线程而灭的。这几个区域的内存分配和回收都具有确定性，不需要过多考虑回收问题，当方法或线程结束时，内存自然就跟着回收了。

Java 堆和方法区是具有不确定性的，比如一个方法根据不同的条件执行可能需要的内存是不同的。只有处于运行期才能知道需要创建哪些对象，创建多少对象，这部分的内存分配和回收是动态的，垃圾回收所关注的就是这部分内存。

二、对象何时会“死亡”

Java 堆中存放了几乎所有的对象实例，垃圾回收器在进行回收前，需要判断哪些对象“存活”，哪些对象“死亡”，“死亡”的对象才会被回收。

1. 引用计数法

给对象中添加一个引用计数器：

• 每当有一个地方引用它，计数器就加 1；
• 当引用失效，计数器就减 1；
• 任何时候计数器为 0 的对象就是不可能再被使用的。

这个方法实现简单，效率高，但是目前主流的虚拟机中并没有选择这个算法来管理内存，其最主要的原因是它很难解决对象之间相互循环引用的问题。

2. 可达性分析算法

通过一系列被称为GC Roots的根对象作为起始节点集，从这些节点开始，通过引用关系向下搜寻，搜寻走过的路径称为“引用链”，如果某个对象到GC Roots没有任何“引用链”相连，就说明该对象不可达，即可以被回收。

如下图，Object 5、Object 6、Object 7 虽有关联，但是到GC Roots是不可达的，因此会被判定“死亡”。

Java 中固定可作为GC Root对象的有：

• 虚拟机栈的栈帧中的本地变量表中引用的对象，如，参数、局部变量、临时变量等。
• 方法区中类静态属性引用的对象，如，类中的静态变量。
• 方法区中常量引用的对象。
• 本地方法栈中 JNI（也就是native方法）引用的对象。
• Java 虚拟机内部的引用，如基本数据类型对应的 Class 对象、常驻异常、系统类加载器等。
• 被同步锁持有的对象。

除了这些固定的还有一些临时性加入的，有兴趣的可以看下《深入理解 Java 虚拟机》。

上述两种方法都需要了解引用，详细介绍见Java引用。

3. 方法区的回收

不要求虚拟机在方法区进行垃圾回收，在 Java 堆中，尤其是在新生代中，常规进行一次垃圾收集通常可以回收70％至99％的内存空间，相比之下，在方法区进行回收的“性价比”较低。该区域的垃圾回收主要是两个部分，废弃的常量和不再使用的类。

3.1 废弃常量

假如在字符串常量池中曾存在字符串 "java"，如果当前没有任何字符串对象引用该字符串常量的话，就说明常量 "java" 就是废弃常量，如果这时发生内存回收的话而且有必要的话，"java" 就会被系统清理出常量池了。

3.2 不再被使用的类

类需要同时满足下面 3 个条件才能算是 “不在被使用的类” ：

• 该类所有的实例都已经被回收，也就是 Java 堆中不存在该类的任何实例。
• 加载该类的 ClassLoader 已经被回收。
• 该类对应的 java.lang.Class 对象没有在任何地方被引用，无法在任何地方通过反射访问该类的方法。

三、垃圾回收算法

这里整理的均为“追踪式垃圾回收“，也成为”间接垃圾回收“。

1. 分代回收

Java 堆的区域划分如下图，被分为新生代、老年代、永久代或元空间，具体划分为五大块区域，不同的 GC 会针对不同的区域进行垃圾回收。

GC类型一般有以下几大类：

分类	说明
Minor GC	也称“Young GC”，只针对新生代进行的垃圾回收。
Major GC	也称“Old GC”，只针对老年代进行的垃圾回收
Mixed GC	针对新生代和部分老年代进行垃圾回收，部分垃圾收集器才支持。
Full GC	针对整个Java堆和方法区进行的垃圾回收，耗时最久的GC

2. 标记-清除算法

最早出现的垃圾回收算法，分为“标记”、“清除”两个阶段。可以标记存活的对象，也可以标记要回收的对象。

该算法有两个缺点：

1. 是执行效率不稳定，随着对象的增多，标记效率会越来越低；
2. 内存空间产生很多碎拼，浪费空间，分配大对象时可能需要重新触发垃圾回收。

标记-清除算法执行过程如下图：

3. 标记-复制算法

简称复制算法，为了解决标记-清除算法面对大量可回收对象执行效率低的问题，就是将内存分成两个区域，每次只使用其中一个区域，当该区域内存满了之后，会将还存活的对象复制到另一个区域，然后将原区域直接清理掉。

该算法有两个缺点：

1. 对象存活率过多时，会影响复制的效率；
2. 一半内存不使用，浪费了大量空间。

标记-复制算法执行过程如下图：

由于 Java 的新生代对象存活率不高，所以一般针对新生代的垃圾回收使用标记-复制算法。

如下图，将新生代分为内存较大的Eden，和两块内存较小的Survivor。每次分配内存只使用Eden和其中一个Survivor，我们假设第一次分配内存是Eden、Survivor 0。

1. 发生 GC 时，将使用的Eden、Survivor 0中存活的对象一次性复制到Survivor 1中，然后清理掉Eden、Survivor 0内存。
2. 这时分配的内存就变成了Eden、Survivor 1，周而复始。

注意：当Survivor不足以容纳轻 GC 之后的对象时，就需要依赖老年代来进行内存分配了。

4. 标记-整理算法

标记完存活对象以后，让所有存活对象都向内存空间的一端移动，然后在清理掉边界以外的内存。

标记-整理算法执行过程如下图：

这种涉及到了对象的移动，如果移动存活对象，尤其是老年代这种每次回收都有大量对象存活的区域，会耗时很多，并且对象移动操作会全部暂停用户应用程序才能进行，这样会产生停顿时间。

这种停顿被称为Stop The World。

5. 标记-清除-整理算法

先使用标记-清除算法进行垃圾回收，暂时容忍内存碎片的存在，直到碎片过多影响对象分配时，在进行标记-整理算法进行回收，获得规整空间。

四、经典垃圾收集器

下图展示了 7 种经典垃圾收集器，若两两出现互连情况，则表明两者它们可以搭配使用。

• 单线程收集器 Serial、Serial old
• 并行收集器 Par New、Parallel Scavenge、Parallel old
• 并发收集器 CMS、G1

1. Serial 收集器

最基本、历史最早的垃圾收集器了。单线程的收集器，收集垃圾时，必须暂停其他所有工作线程，也就是必有停顿，使用复制算法。

2. Par New 收集器

多线程并行版本的 Serial 收集器，收集垃圾时，必须暂停其他所有工作线程，也就是必有停顿，使用复制算法。

3. Parallel Scavenge 收集器

类似 Par New 收集器，但关注点是达到一个可控的吞叶量，使用复制算法。

吞吐量公式：

吞吐量示例：

代码运行 95 秒 , 垃圾收集器运行 5 秒 , 那么吞吐量就是 $\frac{95}{95 + 5} = 0.95$

4. Serial old 收集器

Serial 收集器的老年代版本，单线程收集器，使用标记-整理算法。它主要有两大用途：

1. 在JDK1.5及以前的版本中与 Parallel Scavenge 收集器搭配使用;
2. 作为CMS收集器的后备方案。

5. Parallel old 收集器

Parallel Scavenge收集器的老年代版本。使用多线程和标记-整理算法。在注重吞吐量以及CPU资源的场合，都可以优先考虑 Parallel Scavenge收集器和Parallel Old收集器（JDK8默认的新生代和老年代收集器）。

6. CMS 收集器

是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器。它非常符合在注重用户体验的应用上使用，它是HotSpot虚拟机第一款真正意义上的并发收集器，它第一次实现了让垃圾收集线程与用户线程（基本上）同时工作。

整个过程分为5个步骤：初始标记→并发标记→重新标记→并发清理→并发重置。

7. G1 收集器

基于标记整理算法实现，运作流程主要包括以下：初始标→并发标记→最终标记→筛选回收，不会产生空间碎片，可以精确地控制停顿，可以支持用户设置期望停顿时间。

不追求一次性将 Java 堆清理干净，只要垃圾收集的速度赶得上对象分配的速度即可。

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参考：

[1] 周志明. 深入理解 Java 虚拟机（第3版）.