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  作者 |  aduner

來源 |  urlify.cn/jI3AJj

76套java從入門到精通實(shí)戰(zhàn)課程分享

前言

往往被問到Java與C/C++有什么區(qū)別的時(shí)候，最先想到的答案就是Java可與自動(dòng)回收內(nèi)存垃圾。

在JVM學(xué)習(xí)中，垃圾回收幾乎是最重要的知識(shí)點(diǎn)。

那么，自動(dòng)垃圾回收機(jī)制到底是如何實(shí)現(xiàn)的呢，下面我們來梳理一遍。

什么是垃圾回收

垃圾回收（Garbage Collection）誕生于1960年 MIT 的 Lisp 語言，距今已經(jīng)超過半個(gè)世紀(jì)了。

垃圾回收顧名思義，就是收集垃圾，JVM中的垃圾就是指的內(nèi)存中不再使用的對(duì)象。

將這些不再使用的對(duì)象清除，給后來的新對(duì)象騰地方。

后文我們簡(jiǎn)稱GC。

垃圾回收的區(qū)域

Java 的自動(dòng)內(nèi)存管理主要是針對(duì)對(duì)象內(nèi)存的回收和對(duì)象內(nèi)存的分配。

Java 堆是垃圾收集器管理的主要區(qū)域，而 Java 自動(dòng)內(nèi)存管理最核心的功能是 堆 內(nèi)存中對(duì)象的分配與回收，因此也被稱作GC 堆（Garbage Collected Heap）。

從垃圾回收的角度，由于現(xiàn)在收集器基本都采用分代垃圾收集算法，所以 Java 堆還可以細(xì)分：

堆分為新生代（占堆1/3），老生代(占堆2/3)

• 新生代（內(nèi)部比例8:1:1）

• Eden 空間

• From Survivor 空間

• To Survivor 空間

• 老年代

進(jìn)一步劃分的目的是更好地回收內(nèi)存，或者更快地分配內(nèi)存。

垃圾回收機(jī)制

流程

• 大多數(shù)情況，對(duì)象都會(huì)首先在 Eden 區(qū)域分配，當(dāng) eden 區(qū)沒有足夠空間進(jìn)行分配時(shí)，虛擬機(jī)將發(fā)起一次新生代垃圾回收（Minor GC）。

• 大對(duì)象會(huì)直接進(jìn)入老年代，為了避免為大對(duì)象分配內(nèi)存時(shí)由于分配擔(dān)保機(jī)制帶來的復(fù)制而降低效率。

• 在一次Minor GC后，如果對(duì)象還存活，則會(huì)進(jìn)入兩個(gè)Survivor中的一個(gè)，然后對(duì)象的年齡加 1。

• 它的年齡增加到年齡閾值（默認(rèn)為 15 ），就會(huì)被晉升到老年代中。

• 當(dāng)老年代空間不足時(shí)，將會(huì)觸發(fā)老年代回收（Major GC）

針對(duì) HotSpot 實(shí)現(xiàn)，它里面的 GC 其實(shí)準(zhǔn)確分類只有兩大種：

部分收集 (Partial GC)：

• 新生代收集（Minor GC / Young GC）：只對(duì)新生代進(jìn)行垃圾收集；

• 老年代收集（Major GC / Old GC）：只對(duì)老年代進(jìn)行垃圾收集。

• 混合收集（Mixed GC）：對(duì)整個(gè)新生代和部分老年代進(jìn)行垃圾收集。

整堆收集 (Full GC)：收集整個(gè) Java 堆和方法區(qū)。

對(duì)象晉升到老年代的年齡閾值，可以通過參數(shù) -XX:MaxTenuringThreshold 設(shè)置

怎么判斷對(duì)象已經(jīng)死亡

垃圾回收前的第一步就是要判斷哪些對(duì)象已經(jīng)死亡，主要用到如下幾種算法來判斷。

引用計(jì)數(shù)法

原理很簡(jiǎn)單，如下：

• 給對(duì)象中添加一個(gè)引用計(jì)數(shù)器，每當(dāng)有一個(gè)地方引用它，計(jì)數(shù)器就加 1；

• 當(dāng)引用失效，計(jì)數(shù)器就減 1；任何時(shí)候計(jì)數(shù)器為 0 的對(duì)象就是不可能再被使用的。

這個(gè)算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，效率高，但是目前主流的虛擬機(jī)中并沒有選擇這個(gè)算法來管理內(nèi)存，其最主要的原因是它很難解決對(duì)象之間相互循環(huán)引用的問題。

循環(huán)引用就是兩個(gè)對(duì)象互相引用，但是又沒有其他任何對(duì)象使用這兩個(gè)對(duì)象，兩個(gè)對(duì)象就像是互相抱著的兩個(gè)孤兒，非常可憐。

可達(dá)性分析算法

這個(gè)原理也很簡(jiǎn)單，如下：

• 定義一系列的稱為 “GC Roots” 的對(duì)象作為根起點(diǎn)

• 從這些節(jié)點(diǎn)開始向下搜索，節(jié)點(diǎn)所走過的路徑稱為引用鏈

• 當(dāng)一個(gè)對(duì)象到 GC Roots 沒有任何引用鏈相連的話，則證明此對(duì)象是不可用的

可作為 GC Roots 的對(duì)象包括下面幾種:

• 虛擬機(jī)棧(棧幀中的本地變量表)中引用的對(duì)象

• 本地方法棧(Native 方法)中引用的對(duì)象

• 方法區(qū)中類靜態(tài)屬性引用的對(duì)象

• 方法區(qū)中常量引用的對(duì)象

• 所有被同步鎖持有的對(duì)象

不可達(dá)的對(duì)象并非一定會(huì)回收

發(fā)現(xiàn)不可達(dá)時(shí)，這些對(duì)象暫時(shí)處于“緩刑階段”，要真正宣告一個(gè)對(duì)象死亡，至少要經(jīng)歷兩次標(biāo)記過程：

• 第一次標(biāo)記，篩選的條件是此對(duì)象是否有必要執(zhí)行 finalize 方法。

• 被判定為需要執(zhí)行的對(duì)象將會(huì)被放在一個(gè)隊(duì)列中進(jìn)行第二次標(biāo)記，除非這個(gè)對(duì)象與引用鏈上的任何一個(gè)對(duì)象建立關(guān)聯(lián)，否則就會(huì)被真的回收。

關(guān)于引用

JDK1.2 之前，Java 中引用的定義很傳統(tǒng)：如果 reference 類型的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的數(shù)值代表的是另一塊內(nèi)存的起始地址，就稱這塊內(nèi)存代表一個(gè)引用。

JDK1.2 以后，Java 對(duì)引用的概念進(jìn)行了擴(kuò)充，將引用分為強(qiáng)引用、軟引用、弱引用、虛引用四種（引用強(qiáng)度逐漸減弱）

下面我們來看看這四種引用

強(qiáng)引用（StrongReference）

強(qiáng)引用非常霸道，只要是強(qiáng)引用，一定不會(huì)被GC回收，即便是內(nèi)存不夠，即便要ＯＯＭ也不會(huì)回收它。

軟引用（SoftReference）

如果內(nèi)存空間足夠，垃圾回收器就不會(huì)回收它，如果內(nèi)存空間不足了，就會(huì)回收這些對(duì)象的內(nèi)存。

只要垃圾回收器沒有回收它，該對(duì)象就可以被程序使用。軟引用可用來實(shí)現(xiàn)內(nèi)存敏感的高速緩存。

弱引用（WeakReference）

只要發(fā)現(xiàn)了只具有弱引用的對(duì)象，就會(huì)直接回收。

不過，由于垃圾回收器是一個(gè)優(yōu)先級(jí)很低的線程， 因此不一定會(huì)很快發(fā)現(xiàn)那些只具有弱引用的對(duì)象。

弱引用與軟引用的區(qū)別在于：只具有弱引用的對(duì)象擁有更短暫的生命周期。

虛引用（PhantomReference）

"虛引用"顧名思義，就是形同虛設(shè)，與其他幾種引用都不同，虛引用并不會(huì)決定對(duì)象的生命周期。

如果一個(gè)對(duì)象僅持有虛引用，那么它就和沒有任何引用一樣，在任何時(shí)候都可能被垃圾回收。

虛引用主要用來跟蹤對(duì)象被垃圾回收的活動(dòng)。

虛引用與軟引用和弱引用的一個(gè)區(qū)別在于： 虛引用必須和引用隊(duì)列（ReferenceQueue）聯(lián)合使用。

當(dāng)垃圾回收器準(zhǔn)備回收一個(gè)對(duì)象時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)它還有虛引用，就會(huì)在回收對(duì)象的內(nèi)存之前，把這個(gè)虛引用加入到與之關(guān)聯(lián)的引用隊(duì)列中。程序可以通過判斷引用隊(duì)列中是否已經(jīng)加入了虛引用，來了解被引用的對(duì)象是否將要被垃圾回收。

程序如果發(fā)現(xiàn)某個(gè)虛引用已經(jīng)被加入到引用隊(duì)列，那么就可以在所引用的對(duì)象的內(nèi)存被回收之前采取必要的行動(dòng)。

特別注意，在程序設(shè)計(jì)中一般很少使用弱引用與虛引用，使用軟引用的情況較多，這是因?yàn)?strong style="margin-right: 3px;margin-left: 3px;">軟引用可以加速 JVM 對(duì)垃圾內(nèi)存的回收速度，可以維護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行安全，防止內(nèi)存溢出（ＯＯＭ）等問題的產(chǎn)生。

判斷廢棄常量

假如在字符串常量池中存在字符串 "abc"，如果當(dāng)前沒有任何 String 對(duì)象引用該字符串常量的話，就說明常量 "abc" 就是廢棄常量，如果這時(shí)發(fā)生內(nèi)存回收的話而且有必要的話，"abc" 就會(huì)被系統(tǒng)清理出常量池了。

判斷無用類

類需要同時(shí)滿足下面 3 個(gè)條件才能算是 “無用的類” ：

• 該類所有的實(shí)例都已經(jīng)被回收，也就是 Java 堆中不存在該類的任何實(shí)例。

• 加載該類的 ClassLoader 已經(jīng)被回收。

• 該類對(duì)應(yīng)的 java.lang.Class 對(duì)象沒有在任何地方被引用，無法在任何地方通過反射訪問該類的方法。

虛擬機(jī)可以對(duì)滿足上述 3 個(gè)條件的無用類進(jìn)行回收，這里說的僅僅是“可以”，而并不是和對(duì)象一樣不使用了就會(huì)必然被回收。

垃圾收集算法

標(biāo)記-清除算法

該算法分為“標(biāo)記”和“清除”階段：

• 首先標(biāo)記出所有不需要回收的對(duì)象

• 標(biāo)記完成后統(tǒng)一回收掉所有沒有被標(biāo)記的對(duì)象。

它是最基礎(chǔ)的收集算法，后續(xù)的算法都是對(duì)其不足進(jìn)行改進(jìn)得到。

這種垃圾收集算法會(huì)帶來兩個(gè)明顯的問題：

• 效率問題，需要遍歷兩次進(jìn)行清除

• 空間問題，標(biāo)記清除后會(huì)產(chǎn)生大量不連續(xù)的碎片

標(biāo)記-復(fù)制算法

標(biāo)記-復(fù)制算法是標(biāo)記-清除算法的改進(jìn)版本。

• 可以將內(nèi)存分為大小相同的兩塊，每次使用其中的一塊。

• 當(dāng)這一塊的內(nèi)存使用完后，就將還存活的對(duì)象復(fù)制到另一塊去，然后再把使用的空間一次清理掉。

• 這樣就使每次的內(nèi)存回收都是對(duì)內(nèi)存區(qū)間的一半進(jìn)行回收。

標(biāo)記-整理算法

根據(jù)老年代的特點(diǎn)提出的一種標(biāo)記算法，標(biāo)記過程仍然與“標(biāo)記-清除”算法一樣，但后續(xù)步驟不是直接對(duì)可回收對(duì)象回收，而是讓所有存活的對(duì)象向一端移動(dòng)，然后直接清理掉端邊界以外的內(nèi)存。

分代收集算法

分代收集就是將新生代和老年代分開，根據(jù)各自的特點(diǎn)選擇合適的收集算法。

比如在新生代中，收集很頻繁，并且數(shù)量很多，所以可以選擇標(biāo)記-復(fù)制算法，只需要付出少量對(duì)象的復(fù)制成本就可以完成每次垃圾收集。

而老年代的對(duì)象存活幾率是比較高的，而且沒有額外的空間對(duì)它進(jìn)行分配擔(dān)保，標(biāo)記-整理算法就很合適

垃圾收集器

垃圾收集算法是垃圾收集的實(shí)現(xiàn)原理，而垃圾收集器就是內(nèi)存回收的具體實(shí)現(xiàn)。

實(shí)際生產(chǎn)中，我們需要根據(jù)自己的需求來選擇合適的垃圾收集器，需要記住一點(diǎn)，沒有最好的，只有最合適的。

CMS 收集器

CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是一種以獲取最短回收停頓時(shí)間為目標(biāo)的收集器。

CMS收集器非常符合在注重用戶體驗(yàn)的應(yīng)用上使用

CMS收集器是 HotSpot 第一款真正意義上的并發(fā)收集器，實(shí)現(xiàn)了讓垃圾收集線程與用戶線程（基本上）同時(shí)工作。

CMS 收集器使用 “標(biāo)記-清除”算法。

整個(gè)過程分為四個(gè)步驟：

• 初始標(biāo)記： 暫停所有的其他線程，并記錄下直接與 root 相連的對(duì)象，速度很快 ；

• 并發(fā)標(biāo)記：

• 同時(shí)開啟 GC 和用戶線程，用一個(gè)閉包結(jié)構(gòu)去記錄可達(dá)對(duì)象。

• 在階段結(jié)束，閉包結(jié)構(gòu)不能保證包含當(dāng)前所有的可達(dá)對(duì)象。

• 因?yàn)橛脩艟€程可能會(huì)不斷的更新引用域，所以 GC 線程無法保證可達(dá)性分析的實(shí)時(shí)性。

• 所以此算法里會(huì)跟蹤記錄這些發(fā)生引用更新的地方。

• 重新標(biāo)記：

• 修正并發(fā)標(biāo)記期間因?yàn)橛脩舫绦蚶^續(xù)運(yùn)行而導(dǎo)致標(biāo)記產(chǎn)生變動(dòng)的那一部分對(duì)象的標(biāo)記記錄，

• 停頓時(shí)間一般會(huì)比初始標(biāo)記階段的時(shí)間稍長(zhǎng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)比并發(fā)標(biāo)記階段時(shí)間短。

• 并發(fā)清除： 開啟用戶線程，同時(shí) GC 線程開始對(duì)未標(biāo)記的區(qū)域做清掃。

優(yōu)點(diǎn)：并發(fā)收集、低停頓。

缺點(diǎn)：

• 對(duì) CPU 資源敏感。

• 無法處理浮動(dòng)垃圾。

• 收集結(jié)束時(shí)會(huì)有大量空間碎片產(chǎn)生。

Serial 收集器

Serial（串行）收集器是最基本、歷史最悠久的垃圾收集器了。

它收集器是一個(gè)單線程收集器了：

• 新生代采用標(biāo)記-復(fù)制算法

• 老年代采用標(biāo)記-整理算法

它最大的特點(diǎn)就是進(jìn)行GC時(shí)，會(huì)阻塞其他線程。

它的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單高效，在單線程收集器中幾乎就是最快的存在，但是由于會(huì)阻塞其他線程，這讓他的使用起來體驗(yàn)并不算好。

ParNew 收集器

ParNew 收集器是 Serial 收集器的多線程版本，除了使用多線程進(jìn)行垃圾收集外，其余行為和 Serial 收集器完全一樣。

它是許多運(yùn)行在 Server 模式下的虛擬機(jī)的首要選擇，除了 Serial 收集器外，只有它能與 CMS 收集器配合工作。

Parallel Scavenge 收集器

JDK1.8 默認(rèn)使用的是 Parallel Scavenge + Parallel Old

JDK1.8 默認(rèn)收集器

Parallel Scavenge 收集器幾乎和 ParNew 是一樣。

區(qū)別在于：

• Parallel Scavenge 收集器關(guān)注點(diǎn)是吞吐量（高效率的利用 CPU）

• CMS 等垃圾收集器的關(guān)注點(diǎn)更多的是用戶線程的停頓時(shí)間（提高用戶體驗(yàn)）。

Serial Old 收集器

Serial 收集器的老年代版本，它同樣是一個(gè)單線程收集器。它主要有兩大用途：

一種用途是在 JDK1.5 以及以前的版本中與 Parallel Scavenge 收集器搭配使用，另一種用途是作為 CMS 收集器的后備方案。

Parallel Old 收集器

Parallel Scavenge 收集器的老年代版本。

使用多線程和“標(biāo)記-整理”算法。在注重吞吐量以及 CPU 資源的場(chǎng)合，都可以優(yōu)先考慮 Parallel Scavenge 收集器和 Parallel Old 收集器。

G1 收集器

G1 (Garbage-First) 是一款面向服務(wù)器的垃圾收集器，主要針對(duì)配備多顆處理器及大容量?jī)?nèi)存的機(jī)器。

以極高概率滿足 GC 停頓時(shí)間要求的同時(shí)，還具備高吞吐量性能特征。

非常強(qiáng)的一款垃圾收集器，甚至它可能會(huì)引領(lǐng)JVM垃圾收集的未來。

它具備一下特點(diǎn)：

• 并行與并發(fā)：

• G1 能充分利用 CPU、多核環(huán)境下的硬件優(yōu)勢(shì)，使用多個(gè) CPU（CPU 或者 CPU 核心）來縮短停頓時(shí)間。

• 部分其他收集器原本需要停頓 Java 線程執(zhí)行的 GC 動(dòng)作，G1 收集器仍然可以通過并發(fā)的方式讓 Java 程序繼續(xù)執(zhí)行。

• 分代收集：雖然 G1 可以不需要其他收集器配合就能獨(dú)立管理整個(gè) GC 堆，但是還是保留了分代的概念。

• 空間整合：

• G1 從整體來看是基于標(biāo)記-整理算法實(shí)現(xiàn)的收集器；

• 從局部上來看是基于標(biāo)記-復(fù)制算法實(shí)現(xiàn)的。

• 可預(yù)測(cè)的停頓：降低停頓時(shí)間是 G1 和 CMS 共同的關(guān)注點(diǎn)，但 G1 除了追求低停頓外，還能建立可預(yù)測(cè)的停頓時(shí)間模型，能讓使用者明確指定在一個(gè)長(zhǎng)度為 M 毫秒的時(shí)間片段內(nèi)。

G1 收集器的運(yùn)作大致分為以下幾個(gè)步驟：

• 初始標(biāo)記

• 并發(fā)標(biāo)記

• 最終標(biāo)記

• 篩選回收

G1 收集器在后臺(tái)維護(hù)了一個(gè)優(yōu)先列表，每次根據(jù)允許的收集時(shí)間，優(yōu)先選擇回收價(jià)值最大的 Region(這也就是它的名字 Garbage-First 的由來) 。

這種使用 Region 劃分內(nèi)存空間以及有優(yōu)先級(jí)的區(qū)域回收方式，保證了 G1 收集器在有限時(shí)間內(nèi)可以盡可能高的收集效率（把內(nèi)存化整為零）。

ZGC 收集器

與G1 類似，但又互有不同，這里不展開了，感興趣可以自行了解。

粉絲福利：Java從入門到入土學(xué)習(xí)路線圖

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