Java性能优化系列之-深入理解Java垃圾回收机制

迈不过友情╰ 2022-12-09 11:55 112阅读 0赞

**目录**

一、垃圾回收的意义

二、如何判断一个对象可以回收

1.引用计数算法

2. 可达性分析算法

三、垃圾收集算法

1.标记-清除算法

2. 标记-整理算法

3. 复制算法

4. 分代收集算法

四、垃圾收集器

五、Java垃圾回收机制并不是万能的

3种内存泄漏的实际例子：

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## 一、垃圾回收的意义 ##

Java语言中一个显著的特点就是引入了垃圾回收机制，使c++程序员最头疼的内存管理的问题迎刃而解，它使得Java程序员在编写程序的时候不再需要考虑内存管理。由于有个垃圾回收机制，Java中的对象不再有“作用域”的概念，只有对象的引用才有“作用域”。垃圾回收可以有效的防止内存泄露，有效的使用空闲的内存。

上一篇文章： [Java性能优化系列之-JIT即时编译器与Java内存管理机制][Java_-JIT_Java] 说明了堆 (包括Java堆 和 方法区)是 垃圾回收的主要对象，特别是Java堆。

Java 垃圾回收机制要考虑的问题很复杂，本文涉及三个核心问题，包括：

>  *  **那些内存需要回收？**(对象是否可以被回收的两种经典算法: 引用计数法 和 可达性分析算法)
>  *  **什么时候回收？** （堆的新生代、老年代、永久代的垃圾回收时机，MinorGC 和 FullGC）
>  *  **如何回收？**(三种经典垃圾回收算法(标记清除算法、复制算法、标记整理算法)及分代收集算法 和 七种垃圾收集器)

## 二、如何判断一个对象可以回收 ##

### 1.引用计数算法 ###

在这种方法中，堆中的每个对象实例都有一个引用计数。当一个对象被创建时，且将该对象实例分配给一个引用变量，该对象实例的引用计数设置为 1。当任何其它变量被赋值为这个对象的引用时，对象实例的引用计数加 1（a = b，则b引用的对象实例的计数器加 1），但当一个对象实例的某个引用超过了生命周期或者被设置为一个新值时，对象实例的引用计数减 1。特别地，当一个对象实例被垃圾收集时，它引用的任何对象实例的引用计数器均减 1。**任何引用计数为0的对象实例可以被当作垃圾收集。**

>  *  **优点：**
> 
> 引用计数收集器可以很快的执行，交织在程序运行中。对程序需要不被长时间打断的实时环境比较有利。
> 
>  *  **缺点**
> 
> 　无法检测出循环引用。如父对象有一个对子对象的引用，子对象反过来引用父对象。这样，他们的引用计数永远不可能为0.如下图所示。

![这里写图片描述][SouthEast]

代码形式如下：

public class Main {
        public static void main(String[] args) {
            MyObject objectA = new MyObject();
            MyObject objectB = new MyObject();
             
             // 两者相互引用
            objectA.instance= objectB;  
            objectB.instance= objectA;
             
            objectA = null;
            objectB = null;
            
            System.gc(); // 无法回收
        }
    }

### 2. 可达性分析算法 ###

**可达性分析算法是通过判断对象的引用链是否可达来决定对象是否可以被回收。**

可达性分析算法是从离散数学中的图论引入的，程序把所有的引用关系看作一张图，通过一系列的名为 “GC Roots” 的对象作为起始点，从这些节点开始向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链（Reference Chain）。当一个对象到 GC Roots 没有任何引用链相连（用图论的话来说就是从 GC Roots 到这个对象不可达）时，则证明此对象是不可用的。

![21dfceea2ef9bebd89687ae080754796.png][]

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。

## 三、垃圾收集算法 ##

![f319295be09b07521947033d431a83bb.png][]

**黑色的表示垃圾，灰色表示存活对象，绿色表示空白空间。**

### 1.标记-清除算法 ###

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；

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：

![34d7b40eec4580fd1676cb831e702006.png][]

这就是`标记－清理`方案，`简单方便`，但是容易产生`内存碎片`。

> **标记-清除算法的主要不足有两个：**
> 
>  *  **效率问题：**标记和清除两个过程的效率都不高;
>  *  **空间问题：**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，因此标记清除之后会产生大量不连续的内存碎片，空间碎片太多可能会导致以后在程序运行过程中需要分配较大对象时，无法找到足够的连续内存而不得不提前触发另一次垃圾收集动作。

### 2. 标记-整理算法 ###

既然标记-清除方法会产生内存碎片，那在清理的时候，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。

**标记整理算法的标记过程类似标记清除算法，但后续步骤不是直接对可回收对象进行清理，而是让所有存活的对象都向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存，类似于磁盘整理的过程，该垃圾回收算法适用于对象存活率高的场景（老年代）**

![c174cb220c6400f1d7a536202f20f42c.png][]

标记整理算法与标记清除算法最显著的区别是：标记清除算法不进行对象的移动，并且仅对不存活的对象进行处理；而标记整理算法会将所有的存活对象移动到一端，并对不存活对象进行处理，因此其不会产生内存碎片。标记整理算法的作用示意图如下：

![标记整理算法示意图.png-14.2kB][.png-14.2kB]

### 3. 复制算法 ###

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。

这种算法适用于对象存活率低的场景，比如新生代。这样使得每次都是对整个半区进行内存回收，内存分配时也就不用考虑内存碎片等复杂情况，只要移动堆顶指针，按顺序分配内存即可，实现简单，运行高效。

参考下图：

![78292beeb350168da2949c73bd5cefe8.png][]

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。

### 4. 分代收集算法 ###

对于一个大型的系统，当创建的对象和方法变量比较多时，堆内存中的对象也会比较多，如果逐一分析对象是否该回收，那么势必造成效率低下。

分代收集算法是基于这样一个事实：**不同的对象的生命周期(存活情况)是不一样的，而不同生命周期的对象位于堆中不同的区域，因此对堆内存不同区域采用不同的策略进行回收可以提高 JVM 的执行效率。**

> 当代商用虚拟机使用的都是分代收集算法：
> 
>  *  新生代对象存活率低，就采用复制算法；
>  *  老年代存活率高，就用标记清除算法或者标记整理算法。

Java堆内存一般可以分为新生代、老年代和永久代三个模块，如下图所示：

![分代收集算法总.jpg-35.5kB][.jpg-35.5kB]

**1）新生代（Young Generation）**

**新生代的目标就是尽可能快速的收集掉那些生命周期短的对象，一般情况下，所有新生成的对象首先都是放在新生代的。**

**流程如下：**

> 1.所有新生成的对象首先都是放在年轻代的。年轻代的目标就是尽可能快速的收集掉那些生命周期短的对象。
> 
> 2.新生代内存按照8:1:1的比例分为一个eden区和两个survivor(survivor0,survivor1)区。一个Eden区，两个 Survivor区(一般而言)。大部分对象在Eden区中生成。回收时先将eden区存活对象复制到一个survivor0区，然后清空eden区，当这个survivor0区也存放满了时，则将eden区和survivor0区存活对象复制到另一个survivor1区，然后清空eden和这个survivor0区，此时survivor0区是空的，然后将survivor0区和survivor1区交换，即保持survivor1区为空， 如此往复。
> 
> 3.当survivor1区不足以存放 eden和survivor0的存活对象时，就将存活对象直接存放到老年代。若是老年代也满了就会触发一次Full GC，也就是新生代、老年代都进行回收
> 
> 4.新生代发生的GC也叫做Minor GC，MinorGC发生频率比较高(不一定等Eden区满了才触发)

**2）老年代（Old Generation）**

1.在年轻代中经历了N次垃圾回收后仍然存活的对象，就会被放到老年代中。因此，可以认为老年代中存放的都是一些生命周期较长的对象。

2.内存比新生代也大很多(大概比例是1:2)，当老年代内存满时触发Major GC即Full GC，Full GC发生频率比较低，老年代对象存活时间比较长，存活率标记高。

**3）永久代（Permanet Generation）**

**永久代主要用于存放静态文件，如Java类、方法等。**永久代对垃圾回收没有显著影响，但是有些应用可能动态生成或者调用一些class，例如使用反射、动态代理、CGLib等bytecode框架时，在这种时候需要设置一个比较大的永久代空间来存放这些运行过程中新增的类。

**4）垃圾回收类型**

**分为Minor GC 和 Full GC**

*  **Minor GC：**对新生代进行回收，不会影响到老年代。因为新生代的 Java 对象大多死亡频繁，所以 Minor GC 非常频繁，一般在这里使用速度快、效率高的算法，使垃圾回收能尽快完成。
 *  **Full GC：**也叫 Major GC，对整个堆进行回收，包括新生代和老年代。由于Full GC需要对整个堆进行回收，所以比Minor GC要慢，因此应该尽可能减少Full GC的次数，导致Full GC的原因包括：老年代被写满、永久代（Perm）被写满和System.gc()被显式调用等。

## 四、垃圾收集器 ##

垃圾收集算法是内存回收的方法论，那么垃圾收集器就是内存回收的具体实现。下图展示了7种作用于不同分代的收集器，不同收集器之间的连线表示它们可以搭配使用。

![垃圾收集器.jpg-64.2kB][.jpg-64.2kB]

**1）收集器使用范围**

新生代收集器使用的收集器：Serial、PraNew、Parallel Scavenge

老年代收集器使用的收集器：Serial Old、Parallel Old、CMS

回收整个Java堆：G1

**2）六种收集器**

*  Serial收集器**（复制算法)**: **新生代单线程收集器，**标记和清理都是单线程，优点是简单高效；
 *  Serial Old收集器 **(标记-整理算法)**: **老年代单线程收集器**，Serial收集器的老年代版本；
 *  ParNew收集器 **(复制算法)**: **新生代收并行集器**，实际上是Serial收集器的多线程版本，在多核CPU环境下有着比Serial更好的表现；
 *  Parallel Scavenge收集器 **(复制算法)**: **新生代并行收集器**，**追求高吞吐量**，高效利用 CPU。吞吐量 = 用户线程时间/(用户线程时间+GC线程时间)，高吞吐量可以高效率的利用CPU时间，尽快完成程序的运算任务，适合后台应用等对交互相应要求不高的场景；
 *  Parallel Old收集器 **(标记-整理算法)**： **老年代并行收集器**，**吞吐量优先**，Parallel Scavenge收集器的老年代版本；
 *  CMS(Concurrent Mark Sweep)收集器**（标记-清除算法）**： **老年代并行收集器**，**以获取最短回收停顿时间为目标的收集器，具有高并发、低停顿的特点**，追求最短GC回收停顿时间。
 *  G1(Garbage First)收集器 **(标记-整理算法)**： **Java堆并行收集器**，G1收集器是JDK1.7提供的一个新收集器，G1收集器基于“标记-整理”算法实现，也就是说不会产生内存碎片。此外，G1收集器不同于之前的收集器的一个重要特点是：G1回收的范围是整个Java堆(包括新生代，老年代)，而前六种收集器回收的范围仅限于新生代或老年代。

## 五、Java垃圾回收机制并不是万能的 ##

java 有了GC 仍然存在内存泄漏的情况

### 3种内存泄漏的实际例子： ###

1. 静态集合类像HashMap、Vector等的使用最容易出现内存泄露，这些静态变量的生命周期和应用程序一致，所有的对象Object也不能被释放，因为他们也将一直被Vector等应用着。

Static Vector v = new Vector(); 
    for (int i = 1; i<100; i++) 
    { 
        Object o = new Object(); 
        v.add(o); 
        o = null; 
    }

在这个例子中，代码栈中存在Vector 对象的引用 v 和 Object 对象的引用 o 。在 For 循环中，我们不断的生成新的对象，然后将其添加到 Vector 对象中，之后将 o 引用置空。问题是当 o 引用被置空后，如果发生 GC，我们创建的 Object 对象是否能够被 GC 回收呢？答案是否定的。因为， GC 在跟踪代码栈中的引用时，会发现 v 引用，而继续往下跟踪，就会发现 v 引用指向的内存空间中又存在指向 Object 对象的引用。也就是说尽管o 引用已经被置空，但是 Object 对象仍然存在其他的引用，是可以被访问到的，所以 GC 无法将其释放掉。如果在此循环之后， Object 对象对程序已经没有任何作用，那么我们就认为此 Java 程序发生了内存泄漏。

2.各种连接，数据库连接，网络连接，IO连接等没有显示调用close关闭，不被GC回收导致内存泄露。

3.监听器的使用，在释放对象的同时没有相应删除监听器的时候也可能导致内存泄露。

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[Java_-JIT_Java]: https://blog.csdn.net/qq_40587575/article/details/108711008
[SouthEast]: /images/20221123/14fe70bd8d1941a3943d091d3359483e.png
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[2000_G]: https://mp.weixin.qq.com/s/sP4JgGWkCzpgwKr9sAV2_Q
[2020]: https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzIyNTI3NDQ4NQ==&mid=2247487704&idx=1&sn=5f4b2127c4d49fd07ae072a0721424a2&chksm=e8036fc2df74e6d489c4aa9b06f917ef7cee6027f13e150fca53cf79d5d188d4ccc1af49e098&scene=21#wechat_redirect
[Spring Boot]: https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzIyNTI3NDQ4NQ==&mid=2247487798&idx=2&sn=ac0293b996521b872a9dba5fbb3e65e6&chksm=e8036e2cdf74e73aba104a9a994a5b2e31483e8dcbe0f1d9936f6d5173b887e1560f59d2819c&scene=21#wechat_redirect
[Java_296_-]: https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzIyNTI3NDQ4NQ==&mid=2247487674&idx=1&sn=7aff0bdf2bb727303f3d3618995aef21&chksm=e8036fa0df74e6b6d872c7e6ece179c524ed463a4a6b74c96875475c9a3d5ddb903427dd993b&scene=21#wechat_redirect
[Java_357_-]: https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzIyNTI3NDQ4NQ==&mid=2247486376&idx=1&sn=d1fef270c463ea8ac663f6fbfedd70a0&chksm=e80374b2df74fda4d3bafba878a106a19e18c5fcda266008f4f37975847a21bc612ffcd5ff39&scene=21#wechat_redirect
[-]: https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzIyNTI3NDQ4NQ==&mid=2247487750&idx=1&sn=747bccbb5f5ea6b58915198de40da777&chksm=e8036e1cdf74e70ae97a5e8e265b49d7236d904d291203309159d07ba1724033062c0e370843&scene=21#wechat_redirect
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