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JAVA 垃圾回收机制详解

垃圾回收机制是 Java 非常重要的特性之一,也是面试题的常客。它让开发者无需关注空间的创建和释放,而是以守护进程的形式在后台自动回收垃圾。这样做不仅提高了开发效率,更改善了内存的使用状况。

今天本文来对垃圾回收机制进行讲解,主要涉及下面几个问题:

  • 什么是堆内存?

  • 什么是垃圾?

  • 有哪些方法回收这些垃圾?

  • 什么是分代回收机制?

什么是Java堆内存

堆是在 JVM 启动时创建的,主要用来维护运行时数据,如运行过程中创建的对象和数组都是基于这块内存空间。Java 堆是非常重要的元素,如果我们动态创建的对象没有得到及时回收,持续堆积,最后会导致堆空间被占满,内存溢出。

因此,Java 提供了一种垃圾回收机制,在后台创建一个守护进程。该进程会在内存紧张的时候自动跳出来,把堆空间的垃圾全部进行回收,从而保证程序的正常运行。

什么是垃圾?

所谓“垃圾”,就是指所有不再存活的对象。常见的判断是否存活有两种方法:引用计数法和可达性分析。

   引用计数法 

为每一个创建的对象分配一个引用计数器,用来存储该对象被引用的个数。当该个数为零,意味着没有人再使用这个对象,可以认为“对象死亡”。但是,这种方案存在严重的问题,就是无法检测“循环引用”:当两个对象互相引用,即时它俩都不被外界任何东西引用,它俩的计数都不为零,因此永远不会被回收。而实际上对于开发者而言,这两个对象已经完全没有用处了。

因此,Java 里没有采用这样的方案来判定对象的“存活性”。

可达性分析 

这种方案是目前主流语言里采用的对象存活性判断方案。基本思路是把所有引用的对象想象成一棵树,从树的根结点 GC Roots 出发,持续遍历找出所有连接的树枝对象,这些对象则被称为“可达”对象,或称“存活”对象。其余的对象则被视为“死亡”的“不可达”对象,或称“垃圾”。

参考下图,object5,object6 和 object7 便是不可达对象,视为“死亡状态”,应该被垃圾回收器回收。

GC Roots 究竟是啥?

我们可以猜测,GC Roots 本身一定是可达的,这样从它们出发遍历到的对象才能保证一定可达。那么,Java 里有哪些对象是一定可达呢?主要有以下四种:

  • 虚拟机栈(帧栈中的本地变量表)中引用的对象。

  • 方法区中静态属性引用的对象。

  • 方法区中常量引用的对象。

  • 本地方法栈中 JNI 引用的对象。

不少读者可能对这些 GC Roots 似懂非懂,这涉及到 JVM 本身的内存结构等等,未来的文章会再做深入讲解。这里只要知道有这么几种类型的 GC Roots,每次垃圾回收器会从这些根结点开始遍历寻找所有可达节点。

 有哪些方式来回收这些垃圾呢?

上面已经知道,所有 GC Roots 不可达的对象都称为垃圾,参考下图,黑色的表示垃圾,灰色表示存活对象,绿色表示空白空间。

那么,我们如何来回收这些垃圾呢?

标记-清理 

第一步,所谓“标记”就是利用可达性遍历堆内存,把“存活”对象和“垃圾”对象进行标记,得到的结果如上图;
第二步,既然“垃圾”已经标记好了,那我们再遍历一遍,把所有“垃圾”对象所占的空间直接 

清空 

即可。

结果如下:

这便是 

标记-清理 

方案,

简单方便 

,但是容易产生

 内存碎片

标记-整理 

既然上面的方法会产生内存碎片,那好,我在清理的时候,把所有 

存活 

对象扎堆到同一个地方,让它们待在一起,这样就没有内存碎片了。

结果如下:

这两种方案适合 

存活对象多,垃圾少 

的情况,它只需要清理掉少量的垃圾,然后挪动下存活对象就可以了。

复制 

这种方法比较粗暴,直接把堆内存分成两部分,一段时间内只允许在其中一块内存上进行分配,当这块内存被分配完后,则执行垃圾回收,把所有 

存活 

对象全部复制到另一块内存上,当前内存则直接全部清空。

参考下图:

起初时只使用上面部分的内存,直到内存使用完毕,才进行垃圾回收,把所有存活对象搬到下半部分,并把上半部分进行清空。

这种做法不容易产生碎片,也简单粗暴;但是,它意味着你在一段时间内只能使用一部分的内存,超过这部分内存的话就意味着堆内存里频繁的 

复制清空

这种方案适合 

存活对象少,垃圾多 

的情况,这样在复制时就不需要复制多少对象过去,多数垃圾直接被清空处理。

 Java 的分代回收机制

上面我们看到有至少三种方法来回收内存,那么 Java 里是如何选择利用这三种回收算法呢?是只用一种还是三种都用呢?

Java 的堆结构 

在选择回收算法前,我们先来看一下 Java 堆的结构。

一块 Java 堆空间一般分成三部分,这三部分用来存储三类数据:

  • 刚刚创建的对象。在代码运行时会持续不断地创造新的对象,这些新创建的对象会被统一放在一起。因为有很多局部变量等在新创建后很快会变成 

    不可达 

    的对象,

    快速死去 

    ,因此这块区域的特点是

     存活对象少,垃圾多 

    。形象点描述这块区域为:

     新生代

  • 存活了一段时间的对象。这些对象早早就被创建了,而且一直活了下来。我们把这些 

    存活时间较长 

    的对象放在一起,它们的特点是 

    存活对象多,垃圾少 

    。形象点描述这块区域为:

     老年代

  • 永久存在的对象。比如一些静态文件,这些对象的特点是不需要垃圾回收,永远存活。形象点描述这块区域为:

    永久代 

    。(不过在 Java 8 里已经把

     永久代 

    删除了,把这块内存空间给了 

    元空间

    ,后续文章再讲解。)

也就是说,常规的 Java 堆至少包括了 

新生代 

和 

老年代

 两块内存区域,而且这两块区域有很明显的特征:

  • 新生代:存活对象少、垃圾多

  • 老年代:存活对象多、垃圾少

结合新生代/老年代的存活对象特点和之前提过的几种垃圾回收算法,可以得到如下的回收方案:

新生代-

复制 

回收机制 

对于新生代区域,由于每次 GC 都会有大量新对象死去,只有少量存活。因此采用 

复制 

回收算法,GC 时把少量的存活对象复制过去即可。

那么如何设计这个 

复制 

算法比较好呢?有以下几种方式:

思路 1. 把内存均分成 

1:1

 两等份 

如下图拆分内存。

每次只使用一半的内存,当这一半满了后,就进行垃圾回收,把存活的对象直接复制到另一半内存,并清空当前一半的内存。

这种分法的缺陷是相当于只有一半的可用内存,对于新生代而言,新对象持续不断地被创建,如果只有一半可用内存,那显然要持续不断地进行垃圾回收工作,反而影响到了正常程序的运行,得不偿失。

思路 2. 把内存按 

9:1

 分 

既然上面的分法导致可用内存只剩一半,那么我做些调整,把 

1:1

变成

9:1

最开始在 

9

 的内存区使用,当 

9

 快要满时,执行复制回收,把 

9

 内仍然存活的对象复制到 

1

 区,并清空 

9

区。

这样看起来是比上面的方法好了,但是它存在比较严重的问题。

当我们把 

9

 区存活对象复制到 

1

 区时,由于内存空间比例相差比较大,所以很有可能 

1

 区放不满,此时就不得不把对象移到 

老年区 

。而这就意味着,可能会有一部分 

并不老 

的 

9

 区对象由于 

1

 区放不下了而被放到了 

老年区 

,可想而知,这破坏了 

老年区 

的规则。或者说,一定程度上的 

老年区 

并不一定全是 

老年对象

那应该如何才能把真正比较 

老 

的对象挪到 

老年区

 呢? 

思路 3. 把内存按 

8:1:1

 分

既然 

9:1

 有可能把年轻对象放到 

老年区 

,那就换成 

8:1:1

,依次取名为 

Eden

Survivor A

Survivor B

 区,其中 

Eden

 意为伊甸园,形容有很多新生对象在里面创建;

Survivor

区则为幸存者,即经历 GC 后仍然存活下来的对象。

工作原理如下

  1. 首先,

    Eden

    区最大,对外提供堆内存。当 

    Eden

     区快要满了,则进行 

    Minor GC

    ,把存活对象放入 

    Survivor A

     区,清空 

    Eden

     区;

  2. Eden

    区被清空后,继续对外提供堆内存;

  3. 当 

    Eden

     区再次被填满,此时对 

    Eden

     区和 

    Survivor A

     区同时进行 

    Minor GC

    ,把存活对象放入 

    Survivor B

     区,同时清空 

    Eden

     区和

    Survivor A

     区;

  4. Eden

    区继续对外提供堆内存,并重复上述过程,即在 

    Eden

     区填满后,把 

    Eden

     区和某个 

    Survivor

    区的存活对象放到另一个 

    Survivor

     区;

  5. 当某个 

    Survivor

     区被填满,且仍有对象未被复制完毕时,或者某些对象在反复 

    Survive

     

    15

     次左右时,则把这部分剩余对象放到

    Old

     区;

  6. 当 

    Old

     区也被填满时,进行 

    Major GC

    ,对 

    Old

     区进行垃圾回收。

[注意,在真实的 JVM 环境里,可以通过参数 

SurvivorRatio

 手动配置 

Eden

 区和单个 

Survivor

 区的比例,默认为 8。]

那么,所谓的 

Old

 区垃圾回收,或称

Major GC

,应该如何执行呢?

老年代-

标记整理 

回收机制 

根据上面我们知道,老年代一般存放的是存活时间较久的对象,所以每一次 GC 时,存活对象比较较大,也就是说每次只有少部分对象被回收。

因此,根据不同回收机制的特点,这里选择 

存活对象多,垃圾少 

标记整理 

回收机制,仅仅通过少量地移动对象就能清理垃圾,而且不存在内存碎片化。

至此,我们已经了解了 Java 堆内存的分代原理,并了解了不同代根据各自特点采用了不同的回收机制,即 

新生代 

采用 

回收 

机制,

老年代 

采用 

标记整理 

机制。

 小结

垃圾回收是 Java 非常重要的特性,也是高级 Java 工程师的必经之路。

如有问题欢迎与我联系。

谢谢。

参考文章:

  • 《理解 Java 垃圾回收机制》

  • 《JVM 的 工作原理,层次结构 以及 GC 工作原理》

  • 《深入理解 Java 虚拟机笔记二(垃圾收集器与内存分配策略)》

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