垃圾收集策略与算法

- 日理万妓 2023-06-19 11:02 24阅读 0赞

在前面的博文当中我们已经介绍了java运行时内存区域的各个部分及特点，其中程序计数器、虚拟机栈、 本地方法栈三个区域随着线程而生，随着线程而灭；栈中的栈帧随着方法的执行和退出，有条不紊的执行者入栈和出栈操作。每一个栈帧分配 多少内存基本上是在类结构确定下来的时候就 已知的，因此这几个区域的内存分配和回收都具备确定性， 在这几个区域 就不用过多的考虑回收问题，所以所谓的垃圾回收主要针对的区域是堆，这部分的内存分配是动态的。

## 判定对象是否存活 ##

若一个对象不被任何对象或变量引用，那么它就是无效对象，需要被回收。

### 引用计数法 ###

在对象头维护着一个 counter 计数器，对象被引用一次则计数器 +1；若引用失效则计数器 -1。当计数器为 0 时，就认为该对象无效了。

引用计数算法的实现简单，判定效率也很高，在大部分情况下它都是一个不错的算法。也有一些比较著名应用但是主流案例，例如微软公司的COM技术，使用ActionScript3的FlashPlayer、Python语言已经在游戏脚本领域被广泛应用的Squirrel都使用了引用计数法就行内存管理，但是，至少主流 Java 虚拟机里没有选用引用计数算法来管理内存，主要是因为它很难解决对象之间循环引用的问题。

> 举个栗子对象 objA 和 objB 都有字段 instance，令 objA.instance = objB 并且 objB.instance = objA，由于它们互相引用着对方，导致它们的引用计数都不为 0，于是引用计数算法无法通知 GC 收集器回收它们。

### 可达性分析法 ###

所有和 GC Roots 直接或间接关联的对象都是有效对象，和 GC Roots 没有关联的对象就是无效对象。

GC Roots 是指：

*  Java 虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象
 *  本地方法栈中引用的对象
 *  方法区中常量引用的对象
 *  方法区中类静态属性引用的对象

GC Roots 并不包括堆中对象所引用的对象，这样就不会有循环引用的问题。

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## 引用的种类 ##

判定对象是否存活与“引用”有关。在 JDK 1.2 以前，Java 中的引用定义很传统，一个对象只有被引用或者没有被引用两种状态，我们希望能描述这一类对象：当内存空间还足够时，则保留在内存中；如果内存空间在进行垃圾手收集后还是非常紧张，则可以抛弃这些对象。很多系统的缓存功能都符合这样的应用场景。

在 JDK 1.2 之后，Java 对引用的概念进行了扩充，将引用分为了以下四种。不同的引用类型，主要体现的是对象不同的可达性状态`reachable`和垃圾收集的影响。

### 强引用（Strong Reference） ###

类似 “Object obj = new Object()” 这类的引用，就是强引用，只要强引用存在，垃圾收集器永远不会回收被引用的对象。但是，如果我们**错误地保持了强引用**，比如：赋值给了 static 变量，那么对象在很长一段时间内不会被回收，会产生内存泄漏。

### 软引用（Soft Reference） ###

软引用是一种相对强引用弱化一些的引用，可以让对象豁免一些垃圾收集，只有当 JVM 认为内存不足时，才会去试图回收软引用指向的对象。JVM 会确保在抛出 OutOfMemoryError 之前，清理软引用指向的对象。软引用通常用来**实现内存敏感的缓存**，如果还有空闲内存，就可以暂时保留缓存，当内存不足时清理掉，这样就保证了使用缓存的同时，不会耗尽内存。

### 弱引用（Weak Reference） ###

弱引用的**强度比软引用更弱**一些。当 JVM 进行垃圾回收时，**无论内存是否充足，都会回收**只被弱引用关联的对象。

### 虚引用（Phantom Reference） ###

虚引用也称幽灵引用或者幻影引用，它是**最弱**的一种引用关系。一个对象是否有虚引用的存在，完全不会对其生存时间构成影响。它仅仅是提供了一种确保对象被 finalize 以后，做某些事情的机制，比如，通常用来做所谓的 Post-Mortem 清理机制。

## 对象生存还是死亡 ##

即使在可达性分析算法中不可达的对象，也并非是“非死不可”的，这时候它们暂时处于“缓刑”阶段，要真正宣告一个对象死亡，至少要经历两次标记过程：如果对象在进行可达性分析后发现没有与GC Roots相连接的引用链，那它将会被第一次标记并且进行一次筛选，筛选的条件是此对象是否有必要执行finalize()方法。当对象没有覆盖finalize()方法，或者finalize()方法已经被虚拟机调用过，虚拟机将这两种情况都视为“没有必要执行”。  
如果这个对象被判定为有必要执行finalize()方法，那么这个对象将会放置在一个叫做F-Queue的队列之中，并在稍后由一个由虚拟机自动建立的、低优先级的Finalizer线程去执行它。这里所谓的“执行”是指虚拟机会触发这个方法，但并不承诺会等待它运行结束，这样做的原因是，如果一个对象在finalize()方法中执行缓慢，或者发生了死循环（更极端的情况），将很可能会导致F-Queue队列中其他对象永久处于等待，甚至导致整个内存回收系统崩溃。finalize()方法是对象逃脱死亡命运的最后一次机会，稍后GC将对F-Queue中的对象进行第二次小规模的标记，如果对象要在finalize()中成功拯救自己——只要重新与引用链上的任何一个对象建立关联即可，譬如把自己（this关键字）赋值给某个类变量或者对象的成员变量，那在第二次标记时它将被移除出“即将回收”的集合；如果对象这时候还没有逃脱，那基本上它就真的被回收了。从代码清单3-2中我们可以看到一个对象的finalize()被执行，但是它仍然可以存活。

## 回收方法区内存 ##

方法区中存放生命周期较长的类信息、常量、静态变量，每次垃圾收集只有少量的垃圾被清除。方法区中主要清除两种垃圾：

*  废弃常量
 *  无用的类

### 判定废弃常量 ###

只要常量池中的常量不被任何变量或对象引用，那么这些常量就会被清除掉。比如，一个字符串 “bingo” 进入了常量池，但是当前系统没有任何一个 String 对象引用常量池中的 “bingo” 常量，也没有其它地方引用这个字面量，必要的话，”bingo”常量会被清理出常量池。

### 判定无用的类 ###

判定一个类是否是“无用的类”，条件较为苛刻。

*  该类的所有对象都已经被清除
 *  加载该类的 ClassLoader 已经被回收
 *  该类的 java.lang.Class 对象没有在任何地方被引用，无法在任何地方通过反射访问该类的方法。

> 一个类被虚拟机加载进方法区，那么在堆中就会有一个代表该类的对象：java.lang.Class。这个对象在类被加载进方法区时创建，在方法区该类被删除时清除。

## 垃圾收集算法 ##

学会了如何判定无效对象、无用类、废弃常量之后，剩余工作就是回收这些垃圾。常见的垃圾收集算法有以下几个：

### 标记-清除算法 ###

**标记**的过程是：遍历所有的 `GC Roots`，然后将所有 `GC Roots` 可达的对象**标记为存活的对象**。

**清除**的过程将遍历堆中所有的对象，将没有标记的对象全部清除掉。与此同时，清除那些被标记过的对象的标记，以便下次的垃圾回收。

这种方法有两个**不足**：

*  效率问题：标记和清除两个过程的效率都不高。
 *  空间问题：标记清除之后会产生大量不连续的内存碎片，碎片太多可能导致以后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。

### 复制算法（新生代） ###

为了解决效率问题，“复制”收集算法出现了。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。当这一块内存用完，需要进行垃圾收集时，就将存活者的对象复制到另一块上面，然后将第一块内存全部清除。这种算法有优有劣：

*  优点：不会有内存碎片的问题。
 *  缺点：内存缩小为原来的一半，浪费空间。

为了解决空间利用率问题，可以将内存分为三块： Eden、From Survivor、To Survivor，比例是 8:1:1，每次使用 Eden 和其中一块 Survivor。回收时，将 Eden 和 Survivor 中还存活的对象一次性复制到另外一块 Survivor 空间上，最后清理掉 Eden 和刚才使用的 Survivor 空间。这样只有 10% 的内存被浪费。

但是我们无法保证每次回收都只有不多于 10% 的对象存活，当 Survivor 空间不够，需要依赖其他内存（指老年代）进行分配担保。

分配担保

为对象分配内存空间时，如果 Eden+Survivor 中空闲区域无法装下该对象，会触发 MinorGC 进行垃圾收集。但如果 Minor GC 过后依然有超过 10% 的对象存活，这样存活的对象直接通过分配担保机制进入老年代，然后再将新对象存入 Eden 区。

### 标记-整理算法（老年代） ###

**标记**：它的第一个阶段与**标记/清除算法**是一模一样的，均是遍历 `GC Roots`，然后将存活的对象标记。

**整理**：移动所有**存活的对象**，且按照内存地址次序依次排列，然后将末端内存地址以后的内存全部回收。因此，第二阶段才称为整理阶段。

这是一种老年代的垃圾收集算法。老年代的对象一般寿命比较长，因此每次垃圾回收会有大量对象存活，如果采用复制算法，每次需要复制大量存活的对象，效率很低。

### 分代收集算法 ###

根据对象存活周期的不同，将内存划分为几块。一般是把 Java 堆分为新生代和老年代，针对各个年代的特点采用最适当的收集算法。

*  新生代：复制算法
 *  老年代：标记-清除算法、标记-整理算法

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