《Java 虛擬機(jī)原理》5.1 GC垃圾收集及案例分析

時間：2023-06-27 15:45:01 | 來源：網(wǎng)站運營

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《Java 虛擬機(jī)原理》5.1 GC垃圾收集及案例分析：一、GC什么對象

GC的對象是沒有存活的對象，判斷沒有存活的對象有兩種常用方法：引用計數(shù)和可達(dá)性分析。

1.1 java的GCRoots引用對象

在 Java 虛擬機(jī)的語境下，垃圾指的是死亡的對象所占據(jù)的堆空間。

a. 虛擬機(jī)棧中引用的對象。

b. 方法區(qū)中靜態(tài)屬性引用的對象。

c.方法區(qū)中常量引用的對象。

d.本地方法中JNI引用的對象。

說明：當(dāng)前對象到GCRoots中不可達(dá)時候，即會滿足被垃圾回收的可能。這些對象但不是就非死不可，此時只能宣判它們存在于一種“緩刑”的階段，要真正的宣告一個對象死亡。至少要經(jīng)歷兩次標(biāo)記：

第一次：對象可達(dá)性分析之后，發(fā)現(xiàn)沒有與GCRoots相連接，此時會被第一次標(biāo)記并篩選。

第二次：對象沒有覆蓋finalize()方法，或者finalize()方法已經(jīng)被虛擬機(jī)調(diào)用過，此時會被認(rèn)定為沒必要執(zhí)行。

1.2 結(jié)合GC對象回顧java虛擬機(jī)內(nèi)存

說明：a. 虛擬機(jī)棧中引用的對象、b. 方法區(qū)中靜態(tài)屬性引用的對象（b.1基本類型數(shù)據(jù)是存儲在運行時常量池）、c.方法區(qū)中常量引用的對象，d.本地方法中JNI引用的對象，這些對象都存儲在java堆。







圖1 GC對象在java虛擬機(jī)內(nèi)存圖

二、什么時候GC

2.1 判斷沒有存活的對象有兩種常用方法

如何辨別一個對象的存亡是關(guān)鍵問題。

1.引用計數(shù)

每個對象有一個引用計數(shù)屬性，新增一個引用時計數(shù)加1，引用釋放時計數(shù)減1，計數(shù)為0時可以回收。此方法簡單，無法解決對象相互循環(huán)引用的問題。

優(yōu)點：實現(xiàn)簡單，判定效率高效，被actionscript3和python中廣泛應(yīng)用。

缺點：無法解決對象之間的循環(huán)引用問題。







圖2 循環(huán)引用場景

2.可達(dá)性分析

目前 Java 虛擬機(jī)的主流垃圾回收器采取的是可達(dá)性分析算法。該算法的實質(zhì)：將一系列 GC Roots 作為初始的存活對象合集（live set），然后從該合集出發(fā)，探索所有能夠被該集合引用到的對象，并將其加入到該集合中，這個過程我們也稱之為標(biāo)記（mark）。最終，未被探索到的對象便是死亡的，是可以回收的。

從GC Roots開始向下搜索，搜索所走過的路徑稱為引用鏈。當(dāng)一個對象到GC Roots沒有任何引用鏈相連時，則證明此對象是不可用的不可達(dá)對象。如下圖所示，右側(cè)的對象是到GCRoot時不可達(dá)的，可以判定為可回收對象。







圖3 可達(dá)性分析

思考題：什么是GC Roots？GC Roots與GC對象的關(guān)系？

解答：由堆外指向堆內(nèi)的引用，一般而言，GC Roots 包括（但不限于）下列幾種，Java 方法棧楨中的局部變量、已加載類的靜態(tài)變量、JNI handles、已啟動且未停止的 Java 線程。因此，GC Roots是GC對象的引用。

可達(dá)性分析法的問題：在多線程環(huán)境下，其他線程可能會更新已經(jīng)訪問過的對象中的引用，從而造成誤報（將引用設(shè)置為 null）或者漏報（將引用設(shè)置為未被訪問過的對象）。誤報使得Java 虛擬機(jī)損失該次垃圾回收的機(jī)會。漏報則比較麻煩，因為垃圾回收器可能回收事實上仍被引用的對象內(nèi)存。一旦從原引用訪問已經(jīng)被回收了的對象，則很有可能會直接導(dǎo)致 Java 虛擬機(jī)崩潰。

2.2 觸發(fā)GC的動作及時機(jī)

（1）動作：程序調(diào)用System.gc時可以觸發(fā)。

（2）時機(jī)：系統(tǒng)自身來決定GC觸發(fā)的時機(jī)

根據(jù)Eden區(qū)和From Space區(qū)的內(nèi)存大小來決定，當(dāng)內(nèi)存大小不足時，則會啟動GC線程并停止應(yīng)用線程，GC又分為 Minor GC 和 Full GC。

Minor GC觸發(fā)條件：① 當(dāng) Eden 區(qū)滿時，觸發(fā) Minor GC。

② 當(dāng) FromSuv 或者 ToSuv 區(qū)滿時，觸發(fā) Minor GC。

Full GC觸發(fā)條件： ① 調(diào)用System.gc時，系統(tǒng)建議執(zhí)行Full GC，但是不必然執(zhí)行

② Heap 的老年區(qū)空間不足

③ Metaspace 空間不足

④ 通過Minor GC后進(jìn)入老年代的平均大小大于老年代的可用內(nèi)存

⑤ 由Eden區(qū)、From Space區(qū)向To Space區(qū)復(fù)制時，對象大小大于To Space可用內(nèi)存，則把該對象轉(zhuǎn)存到老年代，且老年代的可用內(nèi)存小于該對象大小

三、如何進(jìn)行GC

GC算法是內(nèi)存回收的理論方法，而GC垃圾收集器則是是內(nèi)存回收的具體實現(xiàn)。下面的內(nèi)容先講GC常用算法。

3.1 GC算法理論基礎(chǔ)

GC算法是內(nèi)存回收的理論方法。GC常用算法理論有：標(biāo)記-清除算法，標(biāo)記-壓縮算法，復(fù)制算法，分代收集算法。即回收垃圾對象的內(nèi)存共有三種方式，分別為：會造成內(nèi)存碎片的清除、性能開銷較大的壓縮、以及堆使用效率較低的復(fù)制。目前主流的JVM（HotSpot）采用的是分代收集算法。

3.1.1 標(biāo)記清除法

標(biāo)記清除法是垃圾回收算法的思想基礎(chǔ)。標(biāo)記清除算法將垃圾分為兩個階段：標(biāo)記階段和清除階段。

標(biāo)記階段：通過根節(jié)點，標(biāo)記所有從根節(jié)點開始的可達(dá)對象，未標(biāo)記過的對象就是未被引用的垃圾對象。

清除階段：清除所有未被標(biāo)記的對象。







圖4 標(biāo)記清除算法

3.1.2 復(fù)制算法

復(fù)制算法是，將原有的內(nèi)存空間分為兩塊，每次只使用其中一塊，在垃圾回收時，將正在適用的內(nèi)存中存活對象復(fù)制到未使用的內(nèi)存塊，然后清除使用的內(nèi)存塊中所有的對象。







圖5 復(fù)制算法

3.1.3 標(biāo)記壓縮算法

標(biāo)記壓縮算法是一種老年代的回收算法。

標(biāo)記階段：與標(biāo)記清除算法一致，對可達(dá)對象做一次標(biāo)記。

清理階段：為了避免內(nèi)存碎片產(chǎn)生，將所有的存活對象壓縮到內(nèi)存的一端。







圖6 標(biāo)記壓縮算法

四、Java虛擬機(jī)的堆劃分

Java 虛擬機(jī)將堆劃分為新生代和老年代。其中，新生代又被劃分為 Eden 區(qū)，以及兩個大小相同的 Survivor 區(qū)即FromSuv和ToSuv。







當(dāng)調(diào)用new 指令時，java虛擬機(jī)在Eden區(qū)中劃出一塊作為存儲對象的內(nèi)存。由于堆空間是線程共享的，因此直接在Eden區(qū)是需要進(jìn)行同步的。new 指令，便可以直接通過指針加法（bump the pointer）來實現(xiàn)，即把指向空余內(nèi)存位置的指針加上所請求的字節(jié)數(shù)。

問題1：兩個線程同時new Object1對象，則堆如何劃分內(nèi)存？

解答：由于堆內(nèi)存是線程共享的，同步為兩個線程分別劃分object1的內(nèi)存空間，即有2個object1對象。該技術(shù)被稱為TLAB（Thread Local Allocation Buffer，對應(yīng)虛擬機(jī)參數(shù) -XX:+UseTLAB，默認(rèn)開啟）。

問題2：當(dāng) Eden 區(qū)的空間耗盡了怎么辦？

解答：這個時候Java虛擬機(jī)會觸發(fā)一次Minor GC，來收集新生代的垃圾。存活下來的對象，則會被送到Survivor區(qū)。

問題3：新生代的兩個Survivor 區(qū)，即FromSuv和ToSuv有什么用處？

解答：當(dāng)Minor GC時，Eden和FromSuv中的存活對象會被復(fù)制到ToSuv中，然后交換FromSuv和ToSuv指針，以保證下一次Minor GC時，ToSuv還是空的。滿足兩種情況之一，可以使對象移動到老年代：1. Minor GC，存活對象從FromSuv復(fù)制到ToSuv，其對象的age+1，當(dāng)超過（默認(rèn)值）15的時候，轉(zhuǎn)移到老年代；2. 動態(tài)對象，如果survivor空間中相同年齡所有的對象大小總和，大于survivor空間的一半，則年級大于或等于該年級的對象就可以直接進(jìn)入老年代。

注意：Minor GC只針對新生代進(jìn)行垃圾回收，所以在枚舉 GC Roots 的時候，需要考慮從老年代到新生代的引用。為了避免掃描整個老年代，Java 虛擬機(jī)引入卡表（Card Table）的技術(shù)，大致地標(biāo)出可能存在老年代到新生代引用的內(nèi)存區(qū)域。

五、GC案例分析

從一個object1分析該對象在分代垃圾回收算法中的回收軌跡。

Minor GC是指發(fā)生在新生代的GC，因為Java對象大多是朝生夕滅，所以Minor GC非常頻繁，一般回收速度也比較快；Full GC是指發(fā)生在老年代的GC，出現(xiàn)Full GC一般會伴隨至少一次的Minor GC，其速度一般比Minor GC慢10倍以上。

步驟1：實例化object1，出生于新生代的Eden區(qū)域；







步驟2：Minor GC，object1移動到新生代的Fromsuv區(qū)域，object1還存活。







步驟3：Minor GC，通過復(fù)制算法將object1移動到新生代的ToSuv區(qū)域，同時object1的年齡age+1，object1 依然存活；







步驟4：Minor GC，在新生代的survivor區(qū)域中，與object1同齡的對象并沒有達(dá)到survivor的一半。因此，通過復(fù)制算法將FromSuv和ToSuv 區(qū)域進(jìn)行互換，object1對象被移動到了新生代的ToSuv，object1 依然存活；







步驟5：Minor GC，此時survivor中和object1同齡的對象已經(jīng)達(dá)到survivor的一半以上，object1被移動到了老年代區(qū)域，object1 依然存活。







滿足兩種情況之一，都可以使object1對象移動到老年代：

1. Minor GC，存活于survivor 區(qū)域的object1對象的age+1，當(dāng)超過（默認(rèn)值）15的時候，轉(zhuǎn)移到老年代；注意：minor GC下，步驟2/3/4中的移動/復(fù)制全部Tosuv/Fromsuv區(qū)域的對象。

2. 動態(tài)對象，如果survivor空間中相同年齡所有的對象大小總和，大于survivor空間的一半，則年級大于或等于該年級的對象就可以直接進(jìn)入老年代。

步驟6：Full GC會觸發(fā)stop the world。object1存活一段時間后，此時GC Roots不可達(dá)object1，而且此時老年代空間比率已經(jīng)超過了閾值，觸發(fā)了Full GC，此時object1被回收。

注意：object1 被回收的必要條件是 object1 不可達(dá)（GC Roots），即 object1 的引用是弱引用。







以上的步驟采用分代垃圾收集的思想，描述object1對象從存活到死亡的過程。新生代：采用復(fù)制算法，老年代：采用標(biāo)記-清除算法或者標(biāo)記-整理算法。

stop the world是一種簡單除暴的方式，即停止其他非垃圾回收線程的工作，直到完成垃圾回收。Java 虛擬機(jī)中的 stop the world 是通過安全點（safepoint）機(jī)制來實現(xiàn)的。當(dāng) Java 虛擬機(jī)收到 Stop-the-world 請求，它便會等待所有的線程都到達(dá)安全點，才允許請求 stop the world 的線程進(jìn)行獨占的工作。安全點的初始目的并不是讓其他線程停下，而是找到一個穩(wěn)定的執(zhí)行狀態(tài)。例如，java執(zhí)行某個JNI本地方法時，不訪問Java對象、調(diào)用Java方法、返回至原Java方法，則Java虛擬機(jī)的堆棧不會發(fā)生改變，所以這段代碼可以作為安全點。因此，Java虛擬機(jī)在這個安全點，可以同時進(jìn)行垃圾回收和執(zhí)行這段代碼。