【JVM】垃圾回收机制(Garbage Collection)

目录

一、什么是垃圾回收？

二、为什么要有垃圾回收机制（GC）？

三、垃圾回收主要回收的内存区域

四、死亡对象的判断算法

a）引用计数算法

b）可达性分析算法

五、垃圾回收算法

a）标记-清除算法

b）复制算法

c）标记-整理算法

d）分代算法

六、垃圾回收器

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一、什么是垃圾回收？

垃圾回收指的是自动管理和释放不再被程序使用的内存资源的过程。在程序运行过程中，动态分配的内存会被使用，但也需要在不再需要时释放，以免占用过多的内存空间，导致内存泄漏或内存溢出等问题。

二、为什么要有垃圾回收机制（GC）？

早在学习C语言中，有这么一块内容：动态内存管理。动态内存管理的主要内容就是通过 malloc 申请内存，free 释放内存。

• 此处 malloc 申请到的内存，生命周期是跟随整个进程的。
• 这一点对于服务器程序就很不友好了，服务器每个请求都去 malloc 一块内存，如果没有 free 释放，就会使申请的内存越来越多，后续想要申请内存就无法申请了。这就是内存泄漏问题。

而在实际开发中，很容易出现 free 不小心就忘记调用了，或者因为一些情况导致 free 没有被执行到，例如代码块中存在 if 导致的 return 或者 抛出异常了(当前C语言没有异常这一说)。因此，内存泄漏是一个很大的问题。

能否让释放内存的操作，由程序自动负责完成，而不是依赖程序员手动释放呢？

• 此时就引入了垃圾回收机制(GC)，来解决上述问题。

三、垃圾回收主要回收的内存区域

JVM 在运行 Java 程序时，将内存划分为不同的区域，称为运行时数据区。这些区域包括方法区、堆、栈（虚拟机栈）、本地方法栈和程序计数器等。程序在执行之前先要把 Java 代码转换成字节码（.class文件），JVM 首先需要把字节码通过一定的方式（类加载器）把文件加载到内存中（即运行时数据区）。

对于程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈这三部分区域而言，其生命周期与相关线程有关，随线程而生，随线程而灭。并且这三个区域的内存分配与回收具有确定性，因为当方法结束或者线程结束时，内存就自然跟着线程回收了。

而对于方法区，方法区主要存储的是类加载后的元数据信息（静态变量，常量池等），这些信息在程序运行期间基本上是不会发生变化的。

因此，在Java虚拟机中，垃圾回收主要针对的是 堆 区域进行回收。

前面说到，垃圾回收指的是自动管理和释放不再被程序使用的内存资源的过程，在Java堆中，存放着几乎所有的对象实例，因此内存回收，也可以叫做死亡对象的回收。

垃圾回收器在对堆进行垃圾回收前，首先要判断这些对象哪些还存活，哪些已经“死去”。判断对象是否已“死”有以下几种算法。

四、死亡对象的判断算法

a）引用计数算法

引用计数法的描述如下： 

• 引用计数算法是一种简单的垃圾回收算法，它基于对象的引用计数来确定何时可以回收对象。在引用计数算法中，每个对象都会有一个与之关联的引用计数，用来记录有多少个指针指向该对象。当引用计数为0时，表示该对象不再被引用，可以安全地回收。
• 这种算法的实现相对简单，通常在对象创建和销毁时维护引用计数。当有新的指针指向对象时，引用计数加1；当指针不再指向对象时，引用计数减1。当引用计数减到0时，垃圾回收器会立即回收该对象。

引用计数算法的优点是实现简单，且判定效率也比较高，可以及时回收不再使用的对象。比如Python语言就采用引用计数法进行管理内存。

但是，在主流的JVM中没有选用引用计数法来管理内存，最主要的原因就是引用计数法无法解决对象的循环引用问题。即如果两个或多个对象之间存在循环引用，它们的引用计数永远不会为0，即使它们已经不再被程序使用，也无法被回收。这会导致内存泄漏，占用大量的内存空间。

b）可达性分析算法

JVM 就是采用“可达性分析”来判断对象是否存活（同样采用此法的还有C#、Lisp），该算法可以有效处理循环引用问题，其核心思想为：

• 通过一系列称为“GC Roots”的对象作为起始点，从这些节点开始向下搜索（遍历），搜索走过的路径称之为“引用链”，当一个对象到GC Roots没有任何的引用链相连时（从GC Roots到这个对象不可达），证明此对象是不可用的。
• 一旦完成了可达性分析，JVM 就可以安全地回收那些不可达的对象，释放它们所占用的内存空间。

如上图所示，对象Object5-Object7之间虽然彼此还有关联，但是它们到GC Roots是不可达的，因此它们会被判定为可回收对象。

★在Java语言中，可作为GC Roots的对象包含下面几种：

1. 虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象；
2. 方法区中类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 JNI(Native方法)引用的对象。

通过可达性分析算法，JVM 就能够将死亡对象标记出来了，标记出来之后就要进行垃圾回收操作。在介绍垃圾回收器之前，先介绍垃圾回收器使用的几种算法。

五、垃圾回收算法

a）标记-清除算法

“标记-清除”算法是最基础的垃圾回收算法。算法分为“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所有被标记的对象。

后续的回收算法都是基于这种思路，并对其不足加以改进而已。

“标记-清除”算法的不足主要有两个：

1. 效率问题：标记和清除这两个过程的效率都不高，特别是在堆中对象数量庞大的情况下。
2. 空间问题：标记清除后会产生大量不连续的内存碎片，内存碎片太多可能会导致以后在程序运行中，需要分配较大对象时，无法找到足够连续的内存而导致内存分配失败，或不得不提前触发另一次垃圾回收。

b）复制算法

“复制”算法解决了“标记-清除”算法两个主要问题，即内存碎片化问题和效率问题。

• 它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。
• 当这块内存需要进行垃圾回收时，会将此区域还存活着的对象复制到另一块上面，然后再把已经使用过的内存区域一次清理掉。

这样做的好处就在于不仅解决了“标记-清除”的主要问题，且算法实现简单，运行高效。解决内存碎片化问题主要体现在，复制过程中通过移动堆顶指针，按顺序进行分配，使碎片化内存被复制到连续的一块空间。

不过，复制算法也有一些缺点：例如在一轮GC中，大部分对象都是长期存活的，只有少数对象需要回收，那么复制算法就会造成大量的复制操作，导致影响性能。

c）标记-整理算法

“标记-整理”算法的提出，则是为了解决“复制”算法在对象存活率较高时，会进行比较多的复制操作这样的问题。

• 标记过程仍与“标记-清除”算法的标记过程一致；
• 但后续步骤不是直接对可回收对象进行回收，而是让所有存活对象都向一端移动，以便整理出一块连续的内存空间。这个思想类似于双指针算法，但其移动对象的过程更复杂。

上述过程仍有一些缺点：即移动存活对象的过程会带来较大的开销。

d）分代算法

综合以上三种算法，JVM并没有直接使用其中的一种，而是结合这三种算法，搞出了一个“综合性”方案，即分代算法。

实际上，堆里面分为两个区域：新生代和老生代，新生代放新建的对象，当经过一定 GC 次数之后还存活的对象才放入老生代。新生代还有三个区域：一个 Endn + 两个 Survivor（S0/S1）.

分代算法就是通过区域划分，实现不同区域使用不同的的垃圾回收策略，从而实现更好的垃圾回收。

这就好比中国的一国两制方针一样，对于不同的情况和地域设置更符合当地的规则，从而实现更好的管理，这就是分代算法的设计思想。 

当前 JVM 垃圾回收都采用的是“分代”算法。在新生代中，每次垃圾回收都有大批的对象死去，只有少量存活，因此采用复制算法；而老年代中对象存活率高、没有额外空间对它进行分配担保，就必须采用“标记-清除”或者“标记-整理”算法。

• 对于新生代来说，98%的对象都是“朝生夕死”的，所以并不需要按照1：1的比例来划分内存空间，而是将新生代内存分为一块比较大的Eden(伊甸园)空间和两块比较小的Survivor(幸存者)空间，每次使用Eden和其中一块Survivor（两个Survivor区域，一个称为From区，一个称为To区）。
• 当回收时，将Eden和Survivor中还存活的对象一次性复制到另一块Survivor上，最后清理掉Eden和刚才使用过的Survivor空间。完成一次对象复制后，From区和To区的角色会互换。
• HotSpot虚拟机默认Eden与Survivor的大小比例是8：1，也就是说Eden：Survivor From：Survivor To = 8：1：1。所以每次新生代可用内存空间为整个新生代容量的90%，而剩下的10%用来存放回收后存活的对象。

哪些对象会进入新生代？哪些对象会进入老年代？

• 新生代：一般新创建的对象都会进入新生代；
• 老年代：大对象和经历了 N 次（一般情况默认是 15 次）垃圾回收依然存活下来的对象会从新生代移动到老年代。

面试题：请问了解 Minor GC 和 Full GC 吗？这两种GC有什么不一样吗？

• Minor GC又称为新生代GC，指的是发生在新生代的垃圾回收。因为新生代中的Java对象大多都具有朝生夕灭的特性，因此Minor GC(采用复制算法)非常频繁，一般回收速度也比较快。
• Full GC又称为老年代GC或者Major GC：指发生在老年代的垃圾回收。出现了Major GC，经常会伴随至少一次的Minor GC(并非绝对)。Major GC的触发频率通常比较低，且速度一般会比Minor GC慢10倍以上。

六、垃圾回收器

如果说上面所讲的垃圾回收算法是内存回收的方法论，那么垃圾回收器就是内存回收的具体实现。

垃圾回收器的作用：垃圾回收器是为了保证程序能够正常、持久运行的一种技术，它是将程序中的死亡对象，也就是垃圾对象进行清除，从而保证了新对象能够正常申请到内存空间。

以下这些回收器是 HotSpot 虚拟机随着不同版本推出的重要的垃圾回收器：

上图展示了7种作用于不同分代的垃圾回收器，如果两个回收器之间存在连线，就说明它们之间可以搭配使用。所处的区域，表示它是属于新生代回收器还是老年代回收器。

为什么会有这么多垃圾回收器？

• 其主要原因是：自从有了 Java 语言就有了垃圾回收器，这么多垃圾回收器其实是历史发展的产物。随着时间的推移和技术的进步，人们对垃圾回收器的性能、吞吐量、停顿时间等方面提出了更高的要求，因此就产生了更多更新的垃圾回收器。

此处就不展开介绍每种垃圾回收器了。