解码Java的垃圾回收:掌握GC机制,提升代码的稳定性与可伸缩性

本文主要是介绍解码Java的垃圾回收:掌握GC机制,提升代码的稳定性与可伸缩性,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

1. GC是什么

JVM垃圾收集(Java Garbage Collection )

GC采用分代收集算法:

  • 次数上频繁收集Young区
  • 次数上较少收集Old区
  • 基本不动Perm区

2. GC 算法总体概述

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JVM在进行GC时,并非每次都对上面三个内存区域一起回收的,大部分时候回收的都是指新生代。

因此GC按照回收的区域又分了两种类型,一种是普通GC(minor GC),一种是全局GC(major GC or Full GC),

普通GC(minor GC):只针对新生代区域的GC。

全局GC(major GC or Full GC):针对年老代的GC,偶尔伴随对新生代的GC以及对永久代的GC。

3. 引用计数法

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4. 复制算法(Copying)

年轻代中使用的是Minor GC,这种GC算法采用的是复制算法(Copying)。

(1) 原理

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Minor GC会把Eden中的所有活的对象都移到Survivor区域中,如果Survivor区中放不下,那么剩下的活的对象就被移到Old generation中,也即一旦收集后,Eden是就变成空的了。

当对象在 Eden ( 包括一个 Survivor 区域,这里假设是 from 区域 ) 出生后,再经过一次 Minor GC 后,如果对象还存活,并且能够被另外一块 Survivor 区域所容纳( 上面已经假设为 from 区域,这里应为 to 区域,即 to 区域有足够的内存空间来存储 Eden 和 from 区域中存活的对象 ),则使用复制算法将这些仍然还存活的对象复制到另外一块 Survivor 区域 ( 即 to 区域 ) 中,然后清理所使用过的 Eden 以及 Survivor 区域 ( 即 from 区域 ),并且将这些对象的年龄设置为1,以后对象在 Survivor 区每熬过一次 Minor GC,就将对象的年龄 + 1,当对象的年龄达到某个值时 ( 默认是 15 岁,通过-XX:MaxTenuringThreshold 来设定参数),这些对象就会成为老年代。

(2) 算法分析

年轻代中的GC,主要是复制算法(Copying)

HotSpot JVM把年轻代分为了三部分:1个Eden区和2个Survivor区(分别叫from和to)。默认比例为8:1:1,一般情况下,新创建的对象都会被分配到Eden区(一些大对象特殊处理),这些对象经过第一次Minor GC后,如果仍然存活,将会被移到Survivor区。对象在Survivor区中每熬过一次Minor GC,年龄就会增加1岁,当它的年龄增加到一定程度时,就会被移动到年老代中。因为年轻代中的对象基本都是朝生夕死的(90%以上),所以在年轻代的垃圾回收算法使用的是复制算法,复制算法的基本思想就是将内存分为两块,每次只用其中一块,当这一块内存用完,就将还活着的对象复制到另外一块上面。复制算法不会产生内存碎片。

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在GC开始的时候,对象只会存在于Eden区和名为“From”的Survivor区,Survivor区“To”是空的。紧接着进行GC,Eden区中所有存活的对象都会被复制到“To”,而在“From”区中,仍存活的对象会根据他们的年龄值来决定去向。年龄达到一定值(年龄阈值,可以通过-XX:MaxTenuringThreshold来设置)的对象会被移动到年老代中,没有达到阈值的对象会被复制到“To”区域。经过这次GC后,Eden区和From区已经被清空。这个时候,“From”和“To”会交换他们的角色,也就是新的“To”就是上次GC前的“From”,新的“From”就是上次GC前的“To”。不管怎样,都会保证名为To的Survivor区域是空的。Minor GC会一直重复这样的过程,直到“To”区被填满,“To”区被填满之后,会将所有对象移动到年老代中。

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因为Eden区对象一般存活率较低,一般的,使用两块10%的内存作为空闲和活动区间,而另外80%的内存,则是用来给新建对象分配内存的。一旦发生GC,将10%的from活动区间与另外80%中存活的eden对象转移到10%的to空闲区间,接下来,将之前90%的内存全部释放,以此类推。

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(3) 劣势

复制算法它的缺点也是相当明显的。

1、它浪费了一半的内存,这太要命了。

2、如果对象的存活率很高,我们可以极端一点,假设是100%存活,那么我们需要将所有对象都复制一遍,并将所有引用地址重置一遍。复制这一工作所花费的时间,在对象存活率达到一定程度时,将会变得不可忽视。 所以从以上描述不难看出,复制算法要想使用,最起码对象的存活率要非常低才行,而且最重要的是,我们必须要克服50%内存的浪费。

5. 标记清除(Mark-Sweep)

老年代一般是由标记清除或者是标记清除与标记整理的混合实现

(1) 原理

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当堆中的有效内存空间(available memory)被耗尽的时候,就会停止整个程序(也被称为stop the world),然后进行两项工作,第一项则是标记,第二项则是清除。

标记:从引用根节点开始标记所有被引用的对象。标记的过程其实就是遍历所有的GC Roots,然后将所有GC Roots可达的对象 标记为存活的对象。

清除:遍历整个堆,把未标记的对象清除。

缺点:此算法需要暂停整个应用,会产生内存碎片

用通俗的话解释一下标记/清除算法,就是当程序运行期间,若可以使用的内存被耗尽的时候,GC线程就会被触发并将程序暂停,随后将依旧存活的对象标记一遍,最终再将堆中所有没被标记的对象全部清除掉,接下来便让程序恢复运行。

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(2) 劣势

1、首先,它的缺点就是效率比较低(递归与全堆对象遍历),而且在进行GC的时候,需要停止应用程序,这会导致用户体验非常差劲

2、其次,主要的缺点则是这种方式清理出来的空闲内存是不连续的,这点不难理解,我们的死亡对象都是随即的出现在内存的各个角落的,现在把它们清除之后,内存的布局自然会乱七八糟。而为了应付这一点,JVM就不得不维持一个内存的空闲列表,这又是一种开销。而且在分配数组对象的时候,寻找连续的内存空间会不太好找。

6. 标记清除(Mark-Sweep)

老年代一般是由标记清除或者是标记清除与标记整理的混合实现

(1) 原理

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在整理压缩阶段,不再对标记的对象做回收,而是通过所有存活对象都向一端移动,然后直接清除边界以外的内存。

可以看到,标记的存活对象将会被整理,按照内存地址依次排列,而未被标记的内存会被清理掉。如此一来,当我们需要给新对象分配内存时,JVM只需要持有一个内存的起始地址即可,这比维护一个空闲列表显然少了许多开销。

标记/整理算法不仅可以弥补标记/清除算法当中,内存区域分散的缺点,也消除了复制算法当中,内存减半的高额代价

(2) 劣势

标记/整理算法唯一的缺点就是效率也不高,不仅要标记所有存活对象,还要整理所有存活对象的引用地址。从效率上来说,标记/整理算法要低于复制算法。

7. 标记清除压缩(Mark-Sweep-Compact)

标记清除、标记压缩的结合使用

(1) 原理

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8. 算法总结

内存效率:复制算法>标记清除算法>标记整理算法(此处的效率只是简单的对比时间复杂度,实际情况不一定如此)。

内存整齐度:复制算法=标记整理算法>标记清除算法。

内存利用率:标记整理算法=标记清除算法>复制算法。

可以看出,效率上来说,复制算法是当之无愧的老大,但是却浪费了太多内存,而为了尽量兼顾上面所提到的三个指标,标记/整理算法相对来说更平滑一些,但效率上依然不尽如人意,它比复制算法多了一个标记的阶段,又比标记/清除多了一个整理内存的过程

难道就没有一种最优算法吗?

回答:无,没有最好的算法,只有最合适的算法。

分代收集算法。

(1) 年轻代(Young Gen)

年轻代特点是区域相对老年代较小,对像存活率低。

这种情况复制算法的回收整理,速度是最快的。复制算法的效率只和当前存活对像大小有关,因而很适用于年轻代的回收。而复制算法内存利用率不高的问题,通过hotspot中的两个survivor的设计得到缓解。

(2) 老年代(Tenure Gen)

老年代的特点是区域较大,对像存活率高。

这种情况,存在大量存活率高的对像,复制算法明显变得不合适。一般是由标记清除或者是标记清除与标记整理的混合实现。

Mark阶段的开销与存活对像的数量成正比,这点上说来,对于老年代,标记清除或者标记整理有一些不符,但可以通过多核/线程利用,对并发、并行的形式提标记效率。

Sweep阶段的开销与所管理区域的大小形正相关,但Sweep“就地处决”的特点,回收的过程没有对像的移动。使其相对其它有对像移动步骤的回收算法,仍然是效率最好的。但是需要解决内存碎片问题。

Compact阶段的开销与存活对像的数据成开比,如上一条所描述,对于大量对像的移动是很大开销的,做为老年代的第一选择并不合适。

基于上面的考虑,老年代一般是由标记清除或者是标记清除与标记整理的混合实现。以hotspot中的CMS回收器为例,CMS是基于Mark-Sweep实现的,对于对像的回收效率很高,而对于碎片问题,CMS采用基于Mark-Compact算法的Serial Old回收器做为补偿措施:当内存回收不佳(碎片导致的Concurrent Mode Failure时),将采用Serial Old执行Full GC以达到对老年代内存的整理。

这篇关于解码Java的垃圾回收:掌握GC机制,提升代码的稳定性与可伸缩性的文章就介绍到这儿,希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助!



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