两篇文章带你搞懂GC垃圾回收之基础篇


1.JVM GC回收哪个区域的垃圾?

JVM GC只回收堆区和方法区内的对象。而栈区的数据,在超出作用域后会被JVM自动释放掉,所以其不在JVM GC的管理范围内。

2.判断对象可以回收的方法

2.1 引用计数法

给对象中添加一个引用计数器,每当有一个地方引用它时,计数器值就加1;当引用失效时,计数器值就减1;任何时刻计数器为0的对象就是不可能再被使用的。

它的优点是简单、高效,但是缺点也是异常明显:这个方法无法解决对象循环引用的问题

    // 对象循环引用示例
    Object objectA = new Object();
    Object objectB = new Object();
    
    objectA.instance = objectB;
    objectB.instance = objectA;
    
    objectA = null;
    objectB = null;

假设我们有上面的代码。程序启动后,objectAobjectB两个对象被创建并在堆中分配内存,它们都相互持有对方的引用,但是除了它们相互持有的引用之外,再无别的引用。而实际上,引用已经被置空,这两个对象不可能再被访问了,但是因为它们相互引用着对方导致它们的引用计数都不为0,因此引用计数算法无法通知GC回收它们,造成了内存的浪费。如下图:对象之间的引用形成一个有环图。

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2.2 可达分析算法

基于引用计数法无法回收循环应用,我们就有了一种新的方法。

可达分析算法,或叫根搜索算法,在主流的JVM中,都是使用的这种方法来判断对象是否存活的。这个算法的思路很简单,它把内存中的每一个对象都看作一个结点,然后定义了一些可以作为根结点的对象,我们称之为GC Roots。如果一个对象中有另一个对象的引用,那么就认这个对象有一条指向另一个对象的边。

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像上面这张图,JVM会起一个线程从所有的GC Roots开始往下遍历,当遍历完之后如果发现有一些对象不可到达,那么就认为这些对象已经没有用了,需要被回收

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上图红色为无用的节点,可以被回收。

需要注意的是:基本所有的GC算法都引用根搜索算法这种概念。

2.3 什么对象可以当作GC Roots?

共有四种对象可以作为GC Roots

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虚拟机栈中的引用对象

我们在程序中正常创建一个对象时,对象会在堆上开辟一块内存空间,同时会将这块空间的地址作为引用保存到虚拟机中,如果对象生命周期结束了,那么引用就会从虚拟机栈中出栈,因此如果在虚拟机栈中有引用,就说明这个对象还是有用的,这种对象可以作为GC Roots。

全局的静态的对象

也就是使用了static关键字定义了的对象,这种对象的引用保存在共有的方法区中,因为虚拟机栈是线程私有的,如果保存在栈里,就不叫全局了,很显然,这种对象是要作为GC Roots的。

常量引用

就是使用了static final关键字,由于这种引用初始化之后不会修改,所以方法区常量池里的引用的对象也作为GC Roots。

本地方法栈中JNI引用的对象

有时候单纯的java代码不能满足我们的需求,就可能需要调用C或C++代码(java本身就是用C和C++写的嘛),因此会使用native方法,JVM内存中专门有一块本地方法栈,用来保存这些对象的引用,所以本地方法栈中引用的对象也会被作为GC Roots。

3.垃圾回收算法

3.1 标记清除算法

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  • 标记-清除算法采用从根集合进行扫描,对存活的对象进行标记,标记完毕后,再扫描整个空间中未被标记的对象进行直接回收,如上图。
  • 标记-清除算法不需要进行对象的移动,并且仅对不存活的对象进行处理,在存活的对象比较多的情况下极为高效,但由于标记-清除算法直接回收不存活的对象,并没有对还存活的对象进行整理,因此会导致内存碎片

3.2 复制算法

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  • 复制算法将内存分为两个空间,使用此算法时,所有动态分配的对象都只能分配在其中一个区间(活动区间),而另外一个区间(空闲区间)则是空闲的。
  • 复制算法采用从根集合扫描,将存活的对象复制到空闲区间,当扫描完毕活动区间后,会将活动区间一次性全部回收。此时原本的空闲区间变成了活动区间。下次GC时候又会重复刚才的操作,以此循环。
  • 复制算法在存活对象比较少的时候,极为高效,但是带来的成本是牺牲一半的内存空间用于进行对象的移动。所以复制算法的使用场景,必须是对象的存活率非常低才行,而且最重要的是,我们需要克服50%内存的浪费。

3.3 标记压缩算法

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  • 标记-压缩算法采用和 标记-清除 算法一样的方式进行对象的标记、清除,但在回收不存活的对象占用的空间后,会将所有存活的对象往左端空闲空间移动,并更新对应的指针。标记-清除 算法是在标记-清除 算法之上,又进行了对象的移动排序整理,因此成本更高,但却解决了内存碎片的问题。

3.4 分代回收算法

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  • 根据存活对象划分几块内存区域,一般是分为新生代老年代。然后根据各个年代的特点制定相应的回收算法。

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年轻代复制算法的具体应用:

生成空间好比就是eden区,survivor分别是From幸存区、To幸存区,eden区会标记一些存活的对象拷贝到From区,然后清空eden区。

如果From区eden区都有垃圾,就把eden区From区都存活的对象全部拷贝到To区,然后清空eden区和From区

如果To区eden区都有垃圾,就把eden区To区都存活的对象全部拷贝到From区,然后清空eden区To区

反复循环,默认来回循环15次,如果活动的对象还是没有被垃圾回收器回收了,就存放到老年代

  • 新生代(new / Young)

    • 每次垃圾回收都有大量的对象死去,只有少量对象存活,选用复制算法比较合理。
    • 新生代回收可以称为:YGC
  • 老年代(old)

    • 老年代中对象的存活率较高,没有额外的空间分配对它进行担保,所以必须使用标记-清除或者标记-压缩算法进行垃圾回收。
    • 老年代回收可以称为:MGC
  • 整体回收可以称为:FGC

4.垃圾回收器

理解什么是STW?

  • 在垃圾回收时,都会产生应用程序的停顿,停顿产生时,整个应用程序会被卡死,没有任何响应。
  • java中Stop-The-World机制简称STW,是在执行垃圾收集算法时,Java应用程序的其他业务线程都被挂起(除了垃圾收集帮助器之外)。
  • Java中一种全局暂停现象,全局停顿所有Java代码停止,native代码可以执行,但不能与JVM交互;这些现象多半是由于GC引起。
  • 没有一种垃圾回收器不会产生STW,就连CMS这种多线程并发执行的回收器也会产生STW
  • CMS产生STW的阶段刚好就在初始标记重新标记阶段

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说明:如果两个垃圾回收器之间存在连线说明他们之间是可以搭配使用的

4.1 Serial 和 Serial Old 回收器

  • Serial分为Serial、Serial Old,其中Serial工作在年轻代Serial Old工作在老年代
  • Serial是单线程的垃圾回收器,当垃圾回收线程开始的时候,业务线程必须暂停,直到垃圾回收线程结束
  • Serial使用的是复制算法,而Serial Old使用的是标记-压缩算法

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4.2 ParNew 回收器

  • ParNew可以认为是Serial的多线程版本
  • ParNew是多线程并行的,也就是说当多条垃圾回收线程并行工作时,此时的业务线程处于等待状态

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4.3 Parallel Scavenge 回收器

  • Parallel Scavenge 是一个年轻代的垃圾回收器,也就是说Parallel工作在年轻代
  • Parallel Scavenge是多线程并行的,也就是说当多条垃圾回收线程并行工作时,此时的业务线程处于等待状态
  • 采用复制算法实现
  • JDK1.8默认采用的垃圾回收器:Parallel Scavenge、Parallel Old

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4.4 Parallel Old 回收器

  • Parallel Old 是 Parallel Scavenge 的老年代版本,也就是说Parallel Old工作在老年代
  • Parallel Old是多线程并行的,也就是说当多条垃圾回收线程并行工作时,此时的业务线程处于等待状态
  • 采用标记-压缩算法

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4.5 CMS 回收器(重点)

  • CMS (Concurrent Mark Sweep) 收集器是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器。
  • CMS是多线程并发的,也就是说垃圾线程业务进程是可以一起执行
  • 采用 标记-清除 算法实现。
  • 运行步骤:
    • 初始标记(CMS initial mark):标记 GC Roots 能直接关联到的对象
    • 并发标记(CMS concurrent mark):进行 GC Roots Tracing
    • 重新标记(CMS remark):修正并发标记期间的变动部分
      • 这里要注意:重新标记就不能业务线程和垃圾线程一起执行了,也就是不能并发执行了
    • 并发清除(CMS concurrent sweep)

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4.5.1 并发标记出现的问题:漏标和错标

  • 并发标记虽然说垃圾线程和业务线程一起执行,但是这种情况也会产生各种问题
  • 漏标:一个对象被GC标记为不是垃圾,但是随着业务的进行,该对象的引用消失了,就变成了垃圾,而这时垃圾回收并没有标记该对象为垃圾,这时候就会产生漏标的情况
    • 这就是著名的"浮动垃圾(floating garbage)"
    • 解决办法很简单,下次垃圾线程再循环的时候,该对象会被重新标记为垃圾,进行清理
  • 错标:一个对象被GC标记为垃圾,但是随着业务的进行,该对象被其他对象引用了,又变成不是垃圾了,而这时垃圾回收已经标记为该对象是垃圾了,这时候就会产生错标的情况

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4.5.2 并发标记问题的解决:三色标记算法

漏标问题

  1. 某个状态下,黑色->灰色->白色

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  1. 如果一切顺利,不发生任何引用变化,GC线程顺着灰色的引用向下扫描,最后都变成黑色,都是存活对象

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  1. 但是如果出现了这样一个状况,在扫描到灰色的时候,还没有扫描到这个白色对象,此时,黑色对象引用了这个白色对象,而灰色对象指向了别人,或者干脆指向了null,也就是取消了对白色对象的引用

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  1. 那么我们会发现一个问题,根据三色标记规则,GC会认为,黑色对象是本身已经被扫描过,并且它所有指向的引用都已经被扫描过,所以不会再去扫描它有哪些引用指向了哪些对象
然后,灰色对象因为取消了对白色对象的引用,所以后面GC开始扫描所有灰色对象的引用时候,也不会再扫描到白色对象

最后结果就是,白色对象直到本次标记扫描结束,也是白色,根据三色标记规则,认为它是垃圾,被清理掉

但是实际情况,它明显是被引用的对象,是绝对不能当做垃圾来清除的,因为漏标,最后被当作垃圾清理掉了
  
/*
漏标的两个充要条件:
1.有至少一个黑色对象在自己被标记之后指向了这个白色对象
2.所有的灰色对象在自己引用扫描完成之前删除了对白色对象的引用
这两个条件,必须全满足,才会造成漏标问题.
*/
  1. CMS的解决方案就是重新标记:将A变成灰色,问题解决

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4.5.3 CMS巨大bug

记住一句话:没有任何一个jdk版本的默认垃圾回收器是cms

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4.6 G1 回收器

  • G1是面向服务端的垃圾回收器。
  • 优点:并行与并发、分代收集、空间整合、可预测停顿。
  • 运作步骤:
    • 初始标记(Initial Marking)
    • 并发标记(Concurrent Marking)
    • 最终标记(Final Marking)
    • 筛选回收(Live Data Counting and Evacuation)

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