Java GC机制

逃离我推掉我的手 2022-10-23 08:03 6阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  一、什么是GC
 *   *  1.1 需要GC的内存区域
     *  1.2 GC的对象
     *  1.3 什么时候触发GC
 *  二、GC常用算法
 *   *  2.1 复制算法
     *  2.2 标记清除(Mark-Sweep)
     *  2.3 标记压缩(Mark-Compact)
     *  2.4 分代收集算法
 *  三、垃圾收集器
 *   *  3.1 串行垃圾回收器（Serial）
     *  3.2 并行垃圾回收器（Parallel）
     *  3.3 并发垃圾回收器（CMS）
     *  3.4 G1垃圾回收器

# 一、什么是GC #

每个程序员都遇到过内存溢出的情况，程序运行时，内存空间是有限的，那么如何及时的把不再使用的对象清除将内存释放出来。`GC`做着清理对象，整理内存的工作。

## 1.1 需要GC的内存区域 ##

`JVM`中，程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈都是随线程而生随线程而灭，栈帧随着方法的进入和退出做入栈和出栈操作，实现了自动的内存清理，因此，我们的内存垃圾回收主要集中于`JAVA`堆和方法区中，在程序运行期间，这部分内存的分配和使用都是动态的。  
![在这里插入图片描述][20210309151523520.png]

## 1.2 GC的对象 ##

需要进行回收的对象就是已经没有存活的对象，判断一个对象是否存活常用的有两种办法：引用计数和可达分析。

*  引用计数：每个对象有一个引用计数属性，新增一个引用时计数加1，引用释放时计数减1，计数为0时可以回收。此方法简单，无法解决对象相互循环引用的问题。
 *  可达性分析（`Reachability Analysis`）：从`GC Roots`开始向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链。当一个对象到`GC Roots`没有任何引用链相连时，则证明此对象是不可用的。不可达对象。

在`Java`语言中，`GC Roots`包括：

*  虚拟机栈中引用的对象;
 *  方法区中类静态属性实体引用的对象;
 *  方法区中常量引用的对象;
 *  本地方法栈中JNI引用的对象

## 1.3 什么时候触发GC ##

*  程序调用`System.gc`时可以触发；
 *  系统自身来决定`GC`触发的时机（根据`Eden`区和`From Space`区的内存大小来决定。当内存大小不足时，则会启动`GC`线程并停止应用线程）

**GC又分为 minor GC 和 Full GC (也称为 Major GC )**

*Minor GC*触发条件：当`Eden`区满时，触发`Minor GC`。

*Full GC*触发条件：

*  调用`System.gc`时，系统建议执行`Full GC`，但是不必然执行
 *  老年代空间不足
 *  方法去空间不足
 *  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
 *  由`Eden`区、`From Space`区向`To Space`区复制时，对象大小大于`To Space`可用内存，则把该对象转存到老年代，且老年代的可用内存小于该对象大小

# 二、GC常用算法 #

`GC`常用算法有：标记-清除算法，标记-压缩算法，复制算法，分代收集算法。

目前主流的`JVM`（*HotSpot*）采用的是分代收集算法。

## 2.1 复制算法 ##

年轻代中使用的是`Minor GC`，这种`GC`算法采用的是复制算法(`Copying`)。

复制算法动图效果如下：  
![在这里插入图片描述][20210309145628244.gif]  
`HotSpot JVM`把年轻代分为了三部分：1个`Eden`区和2个`Survivor`区（分别叫`from`和`to`）。默认比例为8:1:1,一般情况下，新创建的对象都会被分配到`Eden`区(一些大对象特殊处理),这些对象经过第一次`Minor GC`后，如果仍然存活，将会被移到`Survivor`区。对象在`Survivor`区中每熬过一次`Minor GC`，年龄就会增加1岁，当它的年龄增加到一定程度时，就会被移动到年老代中。因为年轻代中的对象基本都是朝生夕死的(90%以上)，所以在年轻代的垃圾回收算法使用的是复制算法，复制算法的基本思想就是将内存分为两块，每次只用其中一块，当这一块内存用完，就将还活着的对象复制到另外一块上面。复制算法不会产生内存碎片。  
![在这里插入图片描述][20210309162904803.png]  
在`GC`开始的时候，对象只会存在于`Eden`区和名为`From`的`Survivor`区，`Survivor`区`To`是空的。紧接着进行`GC`，`Eden`区中所有存活的对象都会被复制到`To`，而在`From`区中，仍存活的对象会根据他们的年龄值来决定去向。年龄达到一定值(年龄阈值，可以通过`-XX:MaxTenuringThreshold`来设置)的对象会被移动到年老代中，没有达到阈值的对象会被复制到`To`区域。经过这次`GC`后，`Eden`区和`From`区已经被清空。这个时候，`From`和`To`会交换他们的角色，也就是新的`To`就是上次`GC`前的`From`，新的`From`就是上次`GC`前的`To`。不管怎样，都会保证名为`To`的`Survivor`区域是空的。`Minor GC`会一直重复这样的过程，直到`To`区被填满，`To`区被填满之后，会将所有对象移动到年老代中。  
![在这里插入图片描述][20210309162237742.png]  
因为`Eden`区对象一般存活率较低，一般的，使用两块10%的内存作为空闲和活动区间，而另外80%的内存，则是用来给新建对象分配内存的。一旦发生`GC`，将10%的`from`活动区间与另外80%中存活的`eden`对象转移到10%的`to`空闲区间，接下来，将之前90%的内存全部释放，以此类推。

复制算法它的缺点也是相当明显的：

1.  它浪费了一半的内存；
2.  如果对象的存活率很高，我们可以极端一点，假设是100%存活，那么我们需要将所有对象都复制一遍，并将所有引用地址重置一遍。复制这一工作所花费的时间，在对象存活率达到一定程度时，将会变的不可忽视。 所以从以上描述不难看出，复制算法要想使用，最起码对象的存活率要非常低才行，而且最重要的是，我们必须要克服50%内存的浪费。

## 2.2 标记清除(Mark-Sweep) ##

老年代一般是由标记清除或者是标记清除与标记整理的混合实现，标记清除算法动图如下：  
![在这里插入图片描述][20210309145653244.gif]  
用通俗的话解释一下标记清除算法，就是当程序运行期间，若可以使用的内存被耗尽的时候，`GC`线程就会被触发并将程序暂停，随后将要回收的对象标记一遍，最终统一回收这些对象，完成标记清理工作接下来便让应用程序恢复运行。

主要进行两项工作：

*  标记：从引用根节点开始标记遍历所有的`GC Roots`， 先标记出要回收的对象；
 *  清除：遍历整个堆，把标记的对象清除。

**优点：不需要额外的空间**  
**缺点：此算法需要暂停整个应用，会产生内存碎片**

## 2.3 标记压缩(Mark-Compact) ##

老年代一般是由标记清除或者是标记清除与标记整理的混合实现，标记压缩算法动图如下：  
![在这里插入图片描述][202103091457216.gif]  
在整理压缩阶段，不再对标记的对像做回收，而是通过所有存活对像都向一端移动，然后直接清除边界以外的内存。可以看到，标记的存活对象将会被整理，按照内存地址依次排列，而未被标记的内存会被清理掉。如此一来，当我们需要给新对象分配内存时，`JVM`只需要持有一个内存的起始地址即可，这比维护一个空闲列表显然少了许多开销。

标记/整理算法不仅可以弥补标记/清除算法当中，内存区域分散的缺点，也消除了复制算法当中，内存减半的高额代价。

标记/整理算法唯一的缺点就是效率也不高，不仅要标记所有存活对象，还要整理所有存活对象的引用地址。从效率上来说，标记/整理算法要低于复制算法。

标记清除压缩(`Mark-Sweep-Compact`)动图如下：  
![在这里插入图片描述][20210309170317365.gif]

## 2.4 分代收集算法 ##

> 经研究，不同对象的生命周期不同，98%的对象是临时对象。

![在这里插入图片描述][20210306173232937.png]  
**① eden、SurvivorFrom 复制到 SurvivorTo，年龄+1**

首先，当`Eden`区满的时候会触发第一次`GC`，把还活着的对象拷贝到`SurvivorFrom`区，当`Eden`区再次触发`GC`的时候会扫描`Eden`区和`From`区域，对这两个区域进行垃圾回收，经过这次回收后还存活的对象，则直接复制到`To`区域（如果有对象的年龄已经达到了老年的标准，则赋值到老年代区），同时把这些对象的年龄+1

**② 清空 eden、SurvivorFrom**

然后，清空`Eden`和`SurvivorFrom`中的对象，也即复制之后有交换，谁空谁是`to`

**③ SurvivorTo和 SurvivorFrom 互换**

最后，`SurvivorTo`和`SurvivorFrom`互换，原`SurvivorTo`成为下一次`GC`时的`SurvivorFrom`区。部分对象会在`From`和`To`区域中复制来复制去，如此交换15次(由`JVM`参数`MaxTenuringThreshold`决定，这个参数默认是15)，最终如果还是存活，就存入到老年代。

**④ 养老区**

若养老区也满了，那么这个时候将产生`MajorGC`（`FullGC`），进行养老区的内存清理。若养老区执行了`Full GC`之后发现依然无法进行对象的保存，就会产生`OOM(OutOfMemoryError)`异常。

如果出现`java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space`异常，说明Java虚拟机的堆内存不够。原因有二：

*  `Java`虚拟机的堆内存设置不够，可以通过参数`-Xms`、`-Xmx`来调整
 *  代码中创建了大量大对象，并且长时间不能被垃圾收集器收集（存在被引用）

# 三、垃圾收集器 #

> GC算法（引用计数/复制/标清/标整）是内存回收的方法论，垃圾收集器就是算法落地实现。  
> 因为目前为止还没有完美的收集器出现，更加没有万能的收集器，知识针对具体应用最合适的收集器，进行分代收集。

## 3.1 串行垃圾回收器（Serial） ##

它为单线程环境设计且只使用一个线程进行垃圾回收，会暂停所有的用户线程。所以不适合服务器环境。

配置使用串行垃圾回收器：`-XX:+UseSerialGC`  
![在这里插入图片描述][20210311165050104.png]

## 3.2 并行垃圾回收器（Parallel） ##

多个垃圾收集线程并行工作，此时用户线程是暂停的，适用于科学计算/大数据处理平台处理等弱交互场景。

配置使用并行垃圾回收器：`-XX:+UseParallelGC`。  
![在这里插入图片描述][20210311165124557.png]

## 3.3 并发垃圾回收器（CMS） ##

用户线程和垃圾收集线程同时执行（不一定是并行，可能交替执行），不需要停顿用户线程，使用对响应时间有要求的场景。

`-XX:+UseConcMarkSweepGC`![在这里插入图片描述][20210311165216901.png]

## 3.4 G1垃圾回收器 ##

`G1`是目前技术发展的最前沿成果之一，`HotSpot`开发团队赋予它的使命是未来可以替换掉JDK1.5中发布的`CMS`收集器。

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