对象回收判定与垃圾回收算法-JVM学习笔记(1)

韭菜兽
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本章要探究的问题 :

GC在回收内存时 :

  1. 怎么判断哪些内存需要回收 ？
  2. 什么时候回收？

在几个线程私有的运行时区域:

image.png

  • 虚拟机栈
  • 程序计数器
  • 本地方法栈

它们的内存分配和回收大多都具有确定性，随着线程的创建而产生，随着线程的停止而被回收。栈帧中的内存大小基本在类的结构确定下来时就已知。

而在线程共有的 Java堆(Heap) 和 方法区(Class(Method) Area) 这两个区域则不同：

image.png

比如，一个接口有不同的实现类(类的信息在方法区中)，这几个实现类的内存大小肯定不一，没法在运行前就已知需要多大的内存，只有在运行期间才知道创建的对象的大小。

一，哪些内存需要回收？

在知道哪些内存需要回收之前，我们要知道怎么判断一个对象是否还存活，当它不再存活时，就回收它。
而 引用计数算法 就是用来判断对象是否存活的一个算法。

1，引用计数算法（Reference Counting）

算法描述：给对象添加一个引用计数器，当有一个地方引用了它，计数器+1，当引用失效，计数器-1，在任何时刻，计数器为0时此对象将不能再被使用。

引用计数法在大多数情况下表现都不错，也有被很多公司采用的应用案例。但是在JVM中并没有采用这种算法，原因是：无法解决对象之间存在相互引用的问题。

public class Person {
    Object instance = null;

    public static void main(String[] args) {
        Person a = new Person();
        Person b = new Person();
        
        a.instance = b;
        b.instance = a;
        
        a = null;
        b = null;// 正常情况下在这里GC就会把a,b回收掉
    }
}

正常情况下在执行11-12行代码时，JVM的GC会把a,b两个对象回收，但是在引用计数算法的情况下：

  • 执行 a=null 时,a的引用计数器值为1，因为b对象在引用它。
  • 执行 b=null 时,b的引用计数器值为1，因为a对象在引用它。

2，可达性分析(Reachability Analysis)算法

在Java语言中是通过可达性分析来判断对象是否存活。
算法描述 : 通过一系列的 GC Roots 作为起始点，从这些起始点开始向下搜索，能搜索的到的对象说明其可用，不会被GC回收掉，搜索所走过的路径称为 引用链(Reference Chain) 。相反，如果一个对象没有到达GC Roots的路径，则说明它不可用，被判定为可被GC回收的对象。

image.png

如图 : 1区域的对象虽然互相关联，但是它们不可到达GC Roots,所以他们会被回收掉，而2区域的对象与GC Roots之间是有可到达路径的，所以它们不会被回收。

什么是GC Roots ?

  • 虚拟机栈(栈帧中的本地变量表)中引用的对象
  • 方法区中类的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(Native方法)引用的对象

这些都可作为GC Roots.

3，什么是引用（Reference）

我们在上面的 引用计数算法 和 可达性分析 中，都提到了 对象之间的引用 关系。

在Java1.2之前,关于 引用 的定义 :

如果 reference 类型的数据存储的数值代表的是另一块内存的起始地址，就说这块内存代表一个引用。

JDK1,2之后,又引入了 强引用 ， 软引用 ， 弱引用 ， 虚引用 ,这四个概念，并且这四种表现的引用关系越来越弱。

  • 强引用(Strong Reference) :

例:

Object o = new Object();


只要强引用还在，GC永远不会回收掉被引用的对象。

  • 软引用(Soft Reference) :

有用，但非必须，在将要发生内存溢出时，会把 软引用 的对象回收掉，如果内存依然不够用，则抛出OOM异常。

  • 弱引用(Weak Reference):

非必需对象，只要GC发生了垃圾回收，不管此时内存是否充足， 弱引用 的对象都会被回收掉。

  • 虚引用(Phantom Reference):
    • 最弱的引用关系
    • 无法通过虚引用构造市实例。
    • 唯一的作用就是在虚引用关联的对象被GC回收掉时，可以接受到一个信号。

4，如何判断一个对象可回收(已死)？

一个对象仅仅通过上面说的可达性分析看它没有与GC ROOTS关联来判定这个对象是否可被回收是不够的。

一个对象要经过下面一段判断过程来判断它是否要被回收(建议收藏(^__^) 嘻嘻……):

image.png

5，方法区的回收

上面我们说的是存在于Java堆中的对象的回收，但其实在方法区还要回收以下东西：

① 回收废弃常量

假如常量池中有一个字符串 "abc" ,但是系统中没有一个String 对象指向它，也就是这个常量没有被引用，
当GC在回收时会回收此字面量。

② 回收废弃的类(无用的类)

  1. 该类的实例都已被回收，Java堆中不存在任何该类的实例。
  2. 加载该类的ClassLoader已经被回收。
  3. 该类的Java.lang.class对象没有被引用(在反射中会被用到这点)。

③ 方法区的回收策略:

GC在回收方法区时会采用一下2种方式:

  • 标记-整理
  • 标记-清除


二，如何回收？

GC在回收内存时会采用多种垃圾收集算法，这些算法各有优劣。

1.标记-清除(Mark-Sweep)算法

此算法是最基础也是最古老的垃圾回收算法，该算法主要经过2个过程

① 算法描述

  1. 标记阶段:经过如何判断一个对象可被回收所述，对可被回收的对象进行标记。
  2. 清除阶段:将被标记的对象统一回收。

② 算法缺陷

  1. 效率问题:此种算法标记和清除的效率都不高。
  2. 标记清除后产生大量不连续的内存空间碎片。

2.复制(Copying)算法

复制算法针对效率问题进行了优化，它将内存区域划分为2块，每次只使用其中一块。

  • 活动区域
  • 空闲区域

① 算法描述

image.png

如图:

  • 回收前 : 内存被划分为左右两侧区域，右侧为空闲区域，暂时不使用它
  • 回收时 : 将左侧要被回收的部分(黑色) 回收掉，然后将4个存活对象(淡灰色)移动到右侧的空闲区域，并且做了2件事
    • 将移动到空闲区域的存活对象按内存地址进行排列。
    • 将存活对象指向的旧地址指向新内存地址。
  • 回收后 : 原先的右侧空闲区域变为活动区域，左侧的活动区域变为空闲区域。

左右两侧的区域状态在每一次回收后都来回转换...

② 算法缺陷

  1. 很显然，这种算法浪费了一般内存。
  2. 当活动区域的100%的对象都还在活跃，那么在回收时需要将全部的对象复制到右侧的空闲区域，此时的效率就很低。

③ 算法应用

IBM公司经研究表明，Java堆新生代种的对象98%是 '朝生夕死' 的对象，比如临时变量等作用域很少的对象。
所以现在的虚拟机并不会按照 1:1的比例划分两个区域。

image.png

现在的JVM虚拟机中，将新生代划分为一块 Eden 区域，和2块较小的 Survivor 区域(from ,to区)。
每次使用Eden区和1块Survivor区(from区)最为活动区域，当发生内存回收时，将这2块内存中的存活对象复制到另一块Survivor区(to区)。

在 HotSpot 虚拟机中，Eden区和Survivor的划分是: 8: 1，这样，活动区域占新生代的 (8+1)/10 *100% = 90%，只有10%的内存浪费。

老年代 : 当将存活对象从活动区域(Eden,from) 复制到 to区时，如果to区不够用，则将剩下的存活对象放到老年代。

3.标记-整理算法

标记-整理主要运用于老年代中。

① 算法描述

image.png

此算法与标记-清除算法类似，也是经历2个阶段:

  1. 标记阶段:此阶段于标记-清除中的标记阶段相同，都是标记出要回收的对象。
  2. 整理阶段:把所有存活的对像，按内存地址排列移动到内存区域的一端，将端边界以外的区域进行回收。

② 算法应用

由于老年代的特点，对象的存活率较高，没有额外的空闲区域，所以 老年代适用 标记-清除和标记-整理算法。








(完~)

Reference:
深入理解Java虚拟机

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