JVM垃圾收集算法和垃圾收集器

比眉伴天荒 2023-09-29 17:01 28阅读 0赞

### 0、mind ###

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本节主要介绍jvm中自动内存管理的内容， 当然在此之前要简单讲一下jvm中的内存区域是怎么样的。随后会介绍垃圾回收的过程，垃圾回收的方法以及垃圾收集器

### 一、基础 ###

#### 1.1 JDK框架 ####

JDK全名是Java Development ToolKit，java开发工具包，这整个工具包包括JRE(java运行环境)以及一些java工具相关api。jre又包括jvm，Java SE api。

#### 1.2 Java内存区域 ####

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这里我们介绍一下JVM在运行java代码的时候，它的内存区域是怎么样的。方法区和堆都是线程共享的，右边三个是线程隔离的。

##### 1）程序计数器 #####

在多线程切换的时候，每个程序计数器来记录当前线程的执行状态和位置，便于上下文切换的时候能恢复场景

##### 2）虚拟机栈 #####

虚拟机栈也是线程隔离的，用来存放线程运行的时候产生的局部变量表等信数据，局部变量表里存放的就是编译器已知的各种基本类型和对象引用

常说的堆内存和栈内存其实是继承自C/C++的内存分配风格，放在java中，栈内存指的就是这块虚拟机栈的内存空间

##### 3）本地方法栈 #####

与虚拟机栈相比，本地方法栈是为本地方法服务

##### 4）堆 #####

堆是jvm中内存区域最大的一块地方，这个区域唯一存放的就是对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。堆也是垃圾收集器管理的内存区域。

##### 5）方法区 #####

方法区用来存放一些常量，静态变量等信息

##### 6）运行时常量池 #####

方法区的一部分

##### 7）直接内存 #####

直接内存并不是jvm虚拟机运行内存的一部分，但是也是java运行时经常使用的内存区域

### 二、垃圾收集 ###

#### 2.1 垃圾收集的流程 ####

对虚拟机对象中的垃圾进行收集，首先要考虑三件事

*  哪些需要回收？哪些是垃圾哪些不是
 *  什么时候回收？
 *  怎么回收？用什么收集算法

#### 2.2 判断对象是否存活 ####

首先我们回收的肯定是垃圾对象，死亡对象，那么我们就需要判断一个对象是否存活

##### 1）引用计数算法 #####

比较简单易用的方法。在对象中添加一个引用计数器，当有其他对象引用的时候，该计数器加一；当引用失效的时候，计数器减一。

但是这个方法也有明显的缺点，就是无法解决循环引用的问题。

这个方法原理简单，并且高效，但是需要考虑很多例外情况，所以主流的jvm虚拟机并不使用该方法。

##### 2）可达性算法 #####

目前主流程序语言使用的是可达性算法。

通过GC Rtoots的根对象作为起始节点集，从这些节点开始根据引用关系向下搜索，如果某个对象和root之间没有引用链，就是说它不可达，即死亡

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##### 3）什么是引用 #####

上节我们提到了java中的引用，在这里我们更深入的了解一下。

在jdk1.2之前，引用就是很传统的其内存为另一个对象的地址。在这之后，分成四种

*  强引用
 *  软引用
 *  弱引用
 *  虚引用

强引用就是传统的引用定义，只要有强引用，对象就存活

软引用则是描述一些还有用，但不是必须的对象。第一次内存溢出时，软引用对象会拉入第二轮回收范围，如果第一次垃圾回收后内存仍然不够就会清除

弱引用和软引用一样，也是非必需对象，但是被弱引用关联的对象能活过第一轮垃圾收集，但是下一轮会被回收

##### 4）死亡救赎 #####

因为程序在不断运行的过程中，一个对象可能在清除的某一个过程中“存活”被引用，所以即便在可达性算法判定为不可达对象时，也并非“非死不可”的。

这个时候处于缓冲状态，要真正宣告对象死亡需要两个过程。

第一次是可达性分析，没被引用的进入筛选。

进入筛选阶段的对象，再判断有无必要进行回收。

这个过程中，只要对象被拯救了，和GC Roots中有对象关联，即存活了。

#### 2.3 收集算法 ####

如果用判断对象是否存活方法来分类，垃圾收集算法分为引用计数式和追踪式，我们这里讨论追踪式，因为并没有使用引用计数方法。

##### 1）分代收集理论 #####

当前大多的收集器都遵循分代收集的原则。它建立在两个假说之上

*  弱分代假说：绝大多数对象都是朝升夕灭的
 *  强分代假说：熬过越多次垃圾收集的对象就越越难消亡

根据这个假说，大部分的垃圾收集器都分成新生代和老年代。

分出不同区域之后，可以在不同区域分别进行垃圾回收，但是这又有一个问题，倘若新生代和老年代之间有引用怎么办？这样子每次还是需要扫描全部空间。

如何解决跨代问题？增加了第三条经验法则

*  跨代引用假说：跨代引用对于同代引用来说仅占少数

##### 2）标记——清除算法 #####

把标记的死亡的对象直接清除。这是最基础最简单最高效的办法。缺点就是会造成内存碎片，并且当有大量对象需要回收时，会造成效率较低的情况。

##### 3）标记——复制算法 #####

为了解决标记清除算法回收大量对象效率低的情况，提出一种半区复制的方法。把一块内存区域分成两块，一次只用一边。进行垃圾回收时，标记存活的对象，复制到另一边去。这样的缺点就是浪费较多的空间，并且当对象存活率较高的情况下效率较低。

现在大部分收集器的新生代是采用这个方法的

##### 4）标记——整理算法 #####

针对标记复制方法的缺陷，提出了一种适合老年代的算法。标记存活对象后，让存活对象向一边移动。

移动势必会导致“stop the word”，但是不移动则会造成内存碎片

对于延迟控制来说，不移动的方法更为优秀；但是对于程序的整体吞吐量来说，移动则更为优秀

#### 2.4 垃圾收集器 ####

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在开始之前，要简单介绍一下收集器中，并行并发的概念。

*  并行指的是多条垃圾收集器线程之间的关系，多个线程在协同工作，此时用户线程是在等待状态。
 *  并发指的是垃圾收集器和用户线程之间的关系，用户线程并未被冻结。

##### 1）Serial #####

最基础，历史最悠久的收集器，因为简单快速，现在也常在使用。

是单线程收集器，在收集过程中需要“stop the world"。新生代采用复制算法，老年代配合Serial Old采用整理算法

即便stop the world带来较高延迟的问题，但是这个收集器需要的内存极其小，而且延迟在绝对意义上，只要内存小也影响不大，所以对于客户端模式下的虚拟机还是非常不错的。

##### 2）parNew #####

是serial的多线程并行版本，其他的和serial完全一致。

##### 3）Parallel Scavenge #####

基于复制算法实现的收集器，也是并行的多线程收集器。这个收集器的关注点是吞吐量，希望垃圾收集的时间尽量短。

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##### 4）Serial Old #####

serial收集器的老年代版本

##### 5）Parallel Old #####

老年代版本，支持多线程并发收集，使用整理算法。

##### 6）CMS收集器 #####

以最短回收停顿时间为目标。服务器响应速度优先，基于标记清除算法。

收集的过程分为四个步骤

*  初始标记：仅标记GC Roots能直接关联的对象，速度很快
 *  并发标记：从GC Roots关联的对象遍历整个对象图，耗时长但是不需要停止用户线程
 *  重新标记：修正并发标记期间，由于用户线程所导致的部分对象记录
 *  并发清除：清除阶段

这之间初始标记和重新标记都需要“stop the world”。由于使用清除算法，会导致较多的内存碎片

##### 7）Garbage First #####

G1收集器是垃圾收集器发展史上里程碑成果。

它摒弃了之前收集器分为老年代新生代的做法，采用局部收集的设计思路和基于Region的内存布局，收集“最具价值”的区域。G1是面向服务端的垃圾收集器。

*  初始标记：标记GC Roots能直接关联的对象，stop the world
 *  并发标记：获取对象图
 *  最终标记：stop the world 修正标记
 *  筛选回收：对各个region的回收价值和成本来排序。这里的操作设计对存活对象的移动，需要stop the world

G1收集器是垃圾收集器发展史上里程碑成果。

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