【Java虚拟机】JVM垃圾回收机制和常见回收算法原理

1.垃圾回收机制

（1）什么是垃圾回收机制（Garbage Collection， 简称GC)

• 指自动管理动态分配的内存空间的机制，自动回收不再使用的内存，以避免内存泄漏和内存溢出的问题
• 最早是在1960年代提出的，程序员需要手动管理内存的分配和释放
• 这往往会导致内存泄漏和内存溢出等问题，同时也增加了程序员的工作量，特别是C++/C语言开发的时候
• Java语言是最早实现垃圾回收机制的语言之一，其他编程语言，如C#、Python和Ruby等，也都提供了垃圾回收机制

（2）JVM自动垃圾回收机制

• 指Java虚拟机在运行Java程序时，自动回收不再使用的对象所占用的内存空间的过程

• Java程序中的对象，一旦不再被引用会被标记为垃圾对象，JVM会在适当的时候自动回收这些垃圾对象所占用的内存空间

• 优点

  • 减少了程序员的工作量，不需要手动管理内存
  • 动态地管理内存，根据应用程序的需要进行分配和回收，提高了内存利用率
  • 避免内存泄漏和野指针等问题，增加程序的稳定性和可靠

• 缺点

  • 垃圾回收会占用一定的系统资源，可能会影响程序的性能
  • 垃圾回收过程中会停止程序的执行，可能会导致程序出现卡顿等问题
  • 不一定能够完全解决内存泄漏等问题，需要在编写代码时注意内存管理和编码规范

（3）引用计数法

• 基本思想，跟踪每个对象被引用的次数，当引用次数为0时，就可以将该对象回收
• 在JVM中，每个对象都有一个引用计数器，当对象被引用时，引用计数器+1
• 当对象被取消引用时，引用计数器-1
• 当引用计数器为0时，该对象就可以被回收
• 优点
  • 实现简单，回收垃圾的效率高
• 缺点
  • 循环引用无法回收。如果两个对象互相引用，它们的引用计数器永远不会为0，因此无法被回收
  • 引用计数器开销大，每个对象都需要一个引用计数器，如果对象很多，开销就会很大

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        A a = new A();
        B b = new B();
        a.setB(b);
        b.setA(a);
        a = null;
        b = null;
        System.gc();
    }
}

class A {
    private B b;

    public void setB(B b) {
        this.b = b;
    }
}

class B {
    private A a;

    public void setA(A a) {
        this.a = a;
    }
}

• 类A和类B相互引用，每个对象都持有对方的引用，形成了一个循环引用的环，当Main方法执行完毕后，a和b对象都置为null
• 由于它们相互引用，它们的引用计数器都不为0，无法被垃圾回收器回收，导致内存泄漏
• 但是上面代码却不会发生内存泄漏，因为多数jvm没有采用这个引用计数器方案，而是采用可达性分析算法

（4）可达性分析算法

• 可达性分析算法的基本思想是通过一系列的“GC Roots”对象作为起点进行搜索。
• 如果“GC Roots”和一个对象之间没有可达路径，则称该对象是不可达的，不过要注意的是被判定为不可达的对象不一定就会成为可回收对象。
• 被判定为不可达的对象要成为回收对象，要至少经历两次标记过程。
• 如果在这两次标记过程中仍然没有逃脱成为可回收对象的可能性，则基本上就真的成为可回收对象了。

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，搜索走过的路径称为“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)时，证明此对象不可用。

（5）什么是GC Root

• 指一些被JVM认为是存活的对象，它们是垃圾回收算法的起点
• 可以理解为由堆外指向堆内的引用， 本身是没有存储位置，都是字节码加载运行过程中加入 JVM 中的一些普通引用
• 通俗的例子可以是一个树形结构，树的根节点就是GC Roots
• 是垃圾回收器的起点，如果一个节点没有任何子节点与根节点相连，那这个节点就被认为是不可达的，可以被回收器回收

（6）JVM中的GCRoots对象有哪几种

• 虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象。

• 方法区中类静态属性引用的对象

  • JDK 1.7 开始静态变量的存储从方法区移动到堆中
  • 比如你定义了一个static 的集合对象，那里面添加的对象就是可以被GC Root可达的

• 方法区中常量引用的对象

  • 字符串常量池从 JDK 1.7 开始由方法区移动到堆中

• 本地方法栈中JNI（即一般说的Native方法）引用的对象。

（7）对象可回收，就一定会被回收吗？

• 不一定会回收，对象的finalize方法给了对象一次最后一次的机会。
• 当对象不可达（可回收）并发生 GC 时，会先判断对象是否执行了 finalize 方法，如果未执行则会先执行 finalize 方法
• 将当前对象与 GC Roots 关联，执行 finalize 方法之后，GC 会再次判断对象是否可达
• 如果不可达，则会被回收，如果可达，则不回收！
• 需要注意的是 finalize 方法只会被执行一次，如果第一次执行 finalize 方法，对象变成了可达，则不会回收
• 但如果对象再次被 GC，则会忽略 finalize 方法，对象会被直接回收掉！

2.垃圾回收算法

（1）垃圾回收算法之标记-清除算法

• 是一种常见的垃圾回收算法，它的基本思路是分为两个阶段：标记阶段和清除阶段
• 标记阶段
  • 垃圾回收器会从一些GC Roots对象开始，遍历整个对象图，标记所有被引用的对象
  • 被标记的对象会被打上标记，表示这些对象是“活”的对象，需要保留下来，未被标记的对象就是垃圾对象，可以被回收
• 清除阶段
  • 垃圾回收器会对所有未被标记的对象进行回收

• 优点
  • 能够回收不连续的内存空间
• 缺点
  • 标记和清除两个步骤，都需要垃圾回收器遍历整个对象图，耗费时间较长
  • 会产生内存碎片，当频繁进行垃圾回收时，内存碎片会越来越多导致可用内存空间不足，从而影响程序的性能和稳定性
• 应用场景
  • 在实际应用中，标记清除法一般用于不需要频繁进行垃圾回收的场景，比如在Java堆中大对象的分配和回收
  • 后续的收集算法大多都是以标记-清除算法为基础，对其缺点进行改进

（2）垃圾回收算法之标记-复制算法

• 标记算法是一种常见的垃圾回收算法，它的基本思路是将Java堆分为两个区域：一个活动区域和一个空闲区域
• 在垃圾回收过程中，首先标记所有被引用的对象
• 然后将所有被标记的对象复制到空闲区域中，最后交换两个区域的角色，完成垃圾回收
• 标记复制算法的详细实现步骤
  • 将Java堆分为两个区域：一个活动区域和一个空闲区域，初始时，所有对象都分配在活动区域中
  • 从GC Roots对象开始，遍历整个对象图，标记所有被引用的对象
  • 对所有被标记存活的对象进行遍历，将它们复制到空闲区域中，并更新所有指向它们的引用，使它们指向新的地址
  • 对所有未被标记的对象进行回收，将它们所占用的内存空间释放
  • 交换活动区域和空闲区域的角色，空闲区域变为新的活动区域，原来的活动区域变为空闲区域
  • 当空闲区域的内存空间不足时，进行一次垃圾回收，重复以上步骤。

• 优点

  • 如果内存中的垃圾对象较多，需要复制的对象就较少，则效率高
  • 清理后，内存碎片少

• 缺点

  • 标记复制算法的效率较高，但是预留一半的内存区域用来存放存活的对象，占用额外的内存空间
  • 如果出现存活对象数量比较多的时候，需要复制较多的对象 效率低
  • 假如是在老年代区域，99%的对象都是存活的，则性能底，所以老年代不适合这个算法

• 应用场景

  • 标记复制算法一般用于新生代的垃圾回收，因此需要对新生代的对象进行分代管理

  • 虚拟机多数采用这个算法，对新生代进行内存管理，因为多数这个新生代区域的存活对象数量少

  • 国外有公司统计过多数业务，98%撑不过一次GC； 所以不用1:1比例分配新生代的空间

  • 原因

    • GC时, 将Eden和Survivor中存活对象一次性复制到另外一块Survivor空间上， 然后清理掉Eden和已用过的那块Survivor空间
    • 每次新生代中可用内存空间为整个新生代容量的90% (Eden的80% + Survivor的 10%) ，
    • 只有一个Survivor空间， 即10%的新生代是会被浪费而已

（3）垃圾回收算法之标记-整理算法

• 从根节点开始对所有可达对象做一次标记，但之后并不简单地清理未标记的对象，而是将所有的存活对象压缩到内存的一端
• 然后清理边界外的垃圾，避免了碎片的产生，也不需要两块相同的内存空间，因此性价比比较高

• 优点
  • 解决了标记清除算法的碎片化的问题
  • 对比标记-复制算法，不用浪费额外的空间
  • 对比 标记-清除算法与标记-整理算法，前者是一种非移动式的回收算法， 而后者是移动式的回收，且没有了碎片化内存
• 缺点
  • 效率相比于标记复制算法低一些
  • 在整理存活对象时，因对象位置的变动，需要该调整虚拟机栈中的引用地址
• 应用场景
  • 标记-压缩算法是一种老年代的回收算法，它在标记-清除算法的基础上做了一些优化。

（4）垃圾回收算法之分代收集算法

• 针对不同生命周期的对象采用不同的垃圾回收策略，以达到更好的垃圾回收效果
• 年轻代多数对象存活时间短，高频进行回收；老年代多数对象存活时间久，进行低频回收
• 分代算法是根据回收对象的特点进行选择，年轻代适合标记-复制算法，老年代适合标记清除或标记压缩算法
• 通过将内存划分为不同的代，可以使得Minor GC的频率更高，更早地回收垃圾对象，减少Full GC的发生频率，提高整体性能

• JVM将内存分为年轻代和老年代，其中年轻代又分为Eden区和两个Survivor区
• 年轻代
  • 用于存放新生的对象，其中Eden区是新对象的分配区域
  • 当Eden区满时，会触发Minor GC，将存活的对象移动到Survivor区，同时清空Eden区
  • Survivor区则用于存放经过一次Minor GC后存活的对象
• 老年代
  • 用于存放长时间存活的对象，当年轻代中的对象经过多次Minor GC后仍然存活，就会被移动到老年代
  • 当老年代满时，会触发Full GC
• GC的分类和专业术语
  • 部分收集(Partial GC)
    • 新生代收集
      • 对象从Young 区域消失的过程称为”minor GC / Young GC “
      • Eden 的清理，S0\S1的清理都由于MinorGC
      • YoungGen区内存不足，会触发minorGC
    • 老年代收集
      • 对象从老年代中消失的过程，清理整合OldGen的内存空间，称为**”Major GC/Old GC“**
      • 有些垃圾收集器 针对老年代单独回收，所以比较少用
  • 整堆收集(Full GC)
    • 是清理整个堆空间，包括年轻代和老年代
    • 理解为Major GC+Minor GC组合后进行的一整个过程，是清理JVM整个堆空间
  • FullGC触发场景
    • 手工调用System.gc( ), 建议执行Full GC，不一定会执行，可通过-XX:+ DisableExplicitGC 参数来禁止调用System.gc()
    • 老年代空间不足 , 通过Minor GC后进入老年代的平均大小大于老年代的可用内存
  • STW（Stop The World）
    • 垃圾回收发生过程中，用户线程在运行至安全点（safe point）后，就自行挂起进入暂停状态，对外的表现就是卡顿
    • 所以应尽量减少Full GC的次数，是Minor GC还是Major GC都会STW，区别只在于STW的时间长短