jvm垃圾回收算法详细解析

前言

相比C语言,JVM虚拟机一个优势体现在对对象的垃圾回收上,JVM有一套完整的垃圾回收算法,可以对程序运行时产生的垃圾对象进行及时的回收,以便释放JVM相应区域的内存空间,确保程序稳定高效的运行,但在真正了解垃圾回收算法之前,有必要对JVM的对象的引用做一个简单的铺垫

JVM对象可达性分析算法 Java虚拟机中的垃圾回收器采用可达性分析来探索所有存活的对象扫描堆中的对象,看是否能够沿着GC Root对象为起点的引用链找到该对象,找不到表示可以被回收

想象一下,对象在什么情况下会被认为是垃圾对象呢?

当一个对象没有被任何引用了,就认为对象无用了(如图一)当一组对象没有被任何引用了,可以认为这组对象无用了(如图二)

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下面通过一段简单的程序代码,在不同的时刻导出dump日志,利用MAT分析工具来说明下这个问题

public static void main(String[] args) throws Exception{
        List list1 = new ArrayList<>();
        list1.add("aaa");
        list1.add("bbb");
        System.out.println(1);
        System.in.read();
        list1 = null;
        System.out.println(1);
        System.in.read();
        System.out.println("end");
    } 
  
 

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运行程序,利用下面的命令导出两个时刻的dump文件

map -dump:format=b,live,file=a.dump 17356

分析第一个文件,在第一个时刻,此时由于list1集合中放了2个元素,因此该对象存在引用关系

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再分析第二个文件,在第二个时刻,此时由于list1置为null,因此该对象没有被引用的地方了,在gc root中找不到list1对象了

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通过上面简单的案例演示和说明,我们再次明确,对象被标为垃圾的前提是该对象从GC Root出发进行搜索时,找不到对该对象的引用,即为不可达对象

几种常用的垃圾回收算法

1、引用计数法

引用计数法在JVM的早期版本中有用到,引用计数是指采用计数器说明引用对象的个数,即为某个对象设置一个引用对象数量的计数器,如果该对象被引用了,计数器的数量加1,否则减一,当计数器的数值为0的时候,垃圾回收器将该对象进行回收

如下图所示,某一时刻,对象A,B,C各自持有对对象P的引用,到另一时刻A,B,C不再对P对象进行引用了,计数器的值归为0,此时垃圾回收器就对P对象进行垃圾回收

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引用计数法在JVM垃圾回收算法中逐渐被废弃,很简单,如果存在对象之间的循环引用,则计数器的count值永远不会清0,如此对象将会一直存在内存中得不到释放

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2、根搜索算法

根搜索算法是JVM的默认垃圾回收算法,也叫做“可达性分析算法”,即从GCRoot出发,有引用的对象都是不可回收的,其他的可以进行标记后再回收

如下图所示,对某个线程栈来说,里面有局部变量,有静态变量,常量池,或对本地native方法的调用,假设从某个栈帧的局部变量出发,可认为是GCRoot的搜索起点,以此为起点,搜索整个引用链条上的所有引用对象,在这个链条上的对象认为是GCRoot可达的对象,否则将会被设为可回收对象被垃圾回收器回收

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3、标记清除法(Mark-Sweep)

标记清除算法主要经历标记和清除2个步骤,通过根搜索算法中的可达性分析之后,那些被标记为垃圾对象的内存空间,通过该算法直接清除

标记清除算法简单粗暴,效率很高,因为不涉及到其他的步骤,但是从下面的图示也可以看到,标记清除算法产生了不连续的内存碎片(产生了内存间隙)导致其内存使用率比较低,如果程序中需要为某个大对象分配一大块连续的内存空间,则很难通过这种算法腾出这样的内存空间,因此该算法在JVM中并没有使用到(作为一种垃圾回收算法的思想值得借鉴)

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4、复制交换算法(Mark-Sweep)

为解决Mark-Sweep算法的缺陷,Copying算法就被提了出来。它将可用内存按容量划分为大小相等的两块,每次只使用其中的一块。当某一块内存用完了,就将还存活着的对象复制到另外一块上面,然后再把已使用的内存空间一次清理掉,这样一来就不容易出现内存碎片的问题

在堆的年轻代进行GC的时候使用的就是复制算法,还记得新生代的区域划分吗?S0和S1两个区域的内存在实际使用时,总是其中一块在使用,当达到了minor gc的条件时,就按照复制算法,将这块空间中存活的对象转移到另一块,再清理当前这块空间的垃圾对象

总结来说,复制算法速度快,无内存碎片,但缺点也比较明显,就是浪费空间,在年轻代的 Minor Gc中使用

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5、标记压缩算法(Mark-Compact)

为解决Copying算法的缺陷,充分利用内存空间,提出了Mark-Compact算法。该算法标记阶段和Mark-Sweep一样,但是在完成标记之后,它不是直接清理可回收对象,而是将存活对象都向一端移动,然后清理掉端边界以外的内存

标记压缩算法整个垃圾回收的过程包括,标记 -> 压缩 -> 整理 ->清除,通过下图展示也不难发现,标记压缩进行垃圾回收之后,整个内存区域的分布比较连续(无内存碎片),但是很明显这种算法的中间操作步骤相对上面两种算法要复杂,因此在进行GC过程中比较耗时效率较低,在老年代的Full Gc时使用的就是标记压缩算法

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JVM 分代收集算法

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在JVM的内存结构中,按照堆内存的结构划分,大的方面可以分为年轻代和老年代,堆内存是JVM中进行垃圾回收的主要区域

但是各个区域在使用过程中的作用,对象生成规则,对象生命周期的不同又可以细分为各个逻辑上的结构,比如在新生代区域,可以划分为 Eden区和Survivor区,而Survivor再细分为from(s0)区和to(s1)区,通过区域的划分,各个区域的职责更加明确

我们知道,新生代和老年代一个很大的区别在于,新生代是对象频繁产生的区域,也是Minor Gc很频繁的区域,而老年代中的对象大多则是比较稳定的对象,从这个角度上说,各个区域在进行垃圾回收时策略自然不相同

分代收集算法是目前大部分JVM的垃圾收集器采用的算法,新生代对象朝生夕死,生命周期短,内存空间需要频繁的进行清理以应对快速而来的新对象,因此需要更高效的垃圾回收算法

新生代

目前大部分垃圾收集器对新生代都采取Copying算法,因为新生代中每次垃圾回收都要回收大部分对象,也就是说需要复制的操作次数较少,但实际中并不是按照1:1的比例来划分新生代的空间的,一般来说是将新生代划分为一块较大的Eden空间和两块较小的Survivor空间(一般为8:1:1),每次使用Eden空间和其中的一块Survivor空间,当进行回收时,将Eden和Survivor中还存活的对象复制到另一块Survivor空间中,然后清理掉Eden和刚才使用过的Survivor空间

老年代

老年代内存空间相对较大,可以存放更多的对象,通常情况下每次发生Full Gc的间隔时间也较长,而且在老年代中经常需要存放一些大对象,需要连续的内存空间,基于这些特点,在目前主流的JVM垃圾回收器中对于老年代采用压缩算法

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