JVM 垃圾回收机制:探秘对象生死判定与高效回收算法

2024-03-20 15:12

本文主要是介绍JVM 垃圾回收机制:探秘对象生死判定与高效回收算法,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!

        

目录

一、JVM 对象生死判定

        1.1 引用技术算法

        1.2 可达性分型算法

二、引用

三、 回收方法区

四、垃圾回收算法

        4.1 标记-清楚算法

        4.2 标记-复制算法

        4.3 标记-整理算法


        JVM 程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈随着线程而生,随着线程而灭。栈中的栈帧随着方法的进入和退出而有条不紊的执行着出栈和入栈操作,因此这几个区域的内存回收都具备确定性。而 Java 堆和方法区则有着显著的不确定性:一个接口的多个实现类需要的内存可能不一样,一个方法锁执行的不同条件分支所需的内存也可能不一样。

一、JVM 对象生死判定

        在 Java 堆里存放着 Java 世界中几乎所有的实例对象,垃圾收集器对堆进行回收前,第一件事就是要确定这些对象之中哪些还存活着,哪些已经死亡了。     

        1.1 引用技术算法

        在对象中添加一个计数器,每当有一个地方引用它时,计数器就加一。当引用失效时,计数器值就减一。任何时刻计数器为零的对象就是不可能被使用的。

        引用计数算法虽然额外占用了一些内存空间来进行计算,但他的原理简单,判定效率高,也有些著名的应用案例。但在 Java 领域,至少主流的 Java 虚拟机里面都没有选用引用计数法来管理内存,主要原因是,这个看似简单的算法有很多例外情况要考虑,必须配合大量额外处理才能保证正确的工作,比如单纯的引用计数就很难解决循环引用的问题。

        1.2 可达性分型算法

        当前主流的商用程序语言的内存管理子系统,都是通过可达性分析(Reachablity Analysis)算法来判断存活的。这个算法的基本思路是通过一些列称为 GC ROOT 的根对象作为起始节点,从这些节点开始,根据引用关系向下搜索,搜索过程所走的路径称为引用链,如果某个对象到GC Roots 之间有任何引用链相连,或者用图论的话说是从 GC Roots 到这个对象不可达,则证明此对象是不可能再被使用了。

       在 Java 技术体系里,固定可作为 GC Roots 的对象包括以下几种:

  • 在虚拟机栈中引用的对象,比如各个线程被调用的方法中使用的参数、局部变量、临时变量等;
  • 在方法区中类静态属性引用的对象;
  • 在方法区中常量引用的对象,比如字符串常量池里的引用;
  • 在本地方法栈中 JNI 引用的对象;
  • Java 虚拟机内部的引用,基本数据类型对应的 Class 对象,一些常驻的异常对象、类加载器等;
  • 所有被同步锁 synchronized 持有的对象;
  • 反应 Java 内部情况的 JMXBean、JVM 中注册的回调、代码缓存等。

        总结,GC Roots根主要包括:类加载器、Thread、虚拟机栈的本地变量表、static成员、常量引用、本地方法栈的变量等等。

        即使在可达性分析算法中判定为不可达的对象,也不是“非死不可”,这时候他们暂时处于“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:如果对象在可达性分析后没有与 GC Roots 相连的引用链,那它将会被第一次标记,随后进行一次筛选,筛选的条件是此对象是否有必要执行finalize()方法。假如对象没有覆盖 finalize() 方法,或者 finalize() 方法已经被虚拟机调用过,那么虚拟机将这两种情况均视为“没有必要执行”。

        如果这个对象被判定为有必要执行 finalize() 方法,那么该对象会被放置在一个名为 F-Queue 的队列之中并在稍后有一条虚拟机建立的、低调度优先级放入 Finalizer 线程区执行它们的 finalize() 方法。finalize() 方法是对象逃脱死亡的最后一次机会,稍后收集器将对 F-Queue 中的对象进行第二次小规模的标记,如果对象在 finalize() 成功拯救自己(只要重新与引用链建立关联即可),那在第二次标记时他将被移除即将回收的集合;如果这个时候还没有逃脱,那么基本上它真的要被回收了。

二、引用

        无论是通过引用计数器算法来判断对象的引用数量,还是通过可达性分析算法来判断对象是否引用链可达,判定对象的存活条件都和“引用”离不开关系。

        JDK1.2之后,Java 将引用分为强引用(Strongly Refrence)、软引用(Soft Refrence)、弱引用(Weak Refrence)和虚引用(Phantom Refrence)4种,这四种引用强度一次减弱。

  • 强引用:是最传统的引用定义,是指在程序代码中普遍存在的引用赋值,即 A a = new A();这种引用关系。无论在何种情况下,只要强引用关系存在,垃圾收集器就永远不会回收掉被引用的对象。
  • 软引用:是用来描述一些还有用,但并非必须的对象,只要软引用关联着对象,在系统将要发生内存溢出异常前,会把这些对象列进垃圾回收范围之中进行第二次回收,如果这次回收还没有足够的内存,才会抛出内存溢出异常。JDK1.2 之后提供了SoftRefrence类来实现软引用。遇到 GC 先判断内存够不够,不够才会被回收。

        软引用非常适合做缓存,空间够用时不会回收,空间不够用了才被回收掉。

  • 弱引用:用来描述那些非必须对象,但是它的强度比软引用更弱一些,被弱引用关联的对象只能生存到下一次垃圾收集发生为止。当垃圾收集器开始工作时,无论当前内存是否足够,都会回收掉被弱引用关联的对象。在 JDK1.2 之后提供了 WeakRefrence 类来实现弱引用。只要遇到 GC 就会被回收。
  • 虚引用:也称为幽灵引用或者幻影引用,他是最弱的一种引用关系。一个对象有虚引用的存在,完全不会对其生存构成影响,也无法通过虚引用来取得一个对象实例。为一个对象设置虚引用关联的唯一目的是为了在这个对象被收集器回收时收到一个系统通知。在 JDK1.2 之后提供了 PhantomRefrence 类来实现虚引用。
ReferenceQueue<A> queue = new ReferenceQueue<>();
PhantomReference<A> phantom = new PhantomReference<>(new A(), queue);

        虚引用需要用到一个队列 queue,当虚引用的对象被回收的时候信息会被填到队列里。当对象被回收时知道它被回收了,可以收到一个通知。

        虚引用可以用来回收堆外内存。当对象被回收时,通过 queue 可以检测到,然后清理掉堆外内存。比如回收 NIO 的直接内存。

三、 回收方法区

        方法区的回收成果比较低。方法区回收主要回收废弃的常量和不再被使用的类型。回收废弃的常量比较好理解,没有任何对象引用这个常量了,且虚拟机没有其他地方引用这个字面常量。

        回收不再被使用的类型条件比较苛刻,需要同时满足三个条件:

  • 该类型所有的实例都已经被回收,也就是 Java 堆中不存在该类及其任何派生子类的实例。
  • 加载该类的类加载器已经被回收,这个条件除非经过精心设计的可替换类加载起的场景,如OSGI、JSP 的重加载,否则很难达到
  • 该类对应的 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。

        在使用反射、动态代理、CGLib 等字节码框架等场景中,通常都需要 Java 虚拟机具备类型卸载能力,以保证不会对方法区造成过大的内存压力。

四、垃圾回收算法

        当前商业虚拟机的垃圾收集器,大多数都遵循“分代收集”的理论。常用垃圾收集器的设计原则:收集器将 Java 堆划分出不同的区域,然后将回收对象依据其年龄(年龄即对象熬过垃圾收集过程的次数)分配到不同的区域之中存储。

        显而易见,如果一个区域中大多数对象都是朝生夕灭,难以熬过垃圾收集过程的话,那么把他们集中在一起,每次回收时只关注如何保留少量存活而不是去标记那些大量将要被回收的对象,就能以较低的代价回收较大的空间;如果剩下的都是难以消亡的对象,把他们集中在一起,虚拟机便可以用较低的频率来回收这个区域,这就同时兼顾了垃圾收集的时间开销和内存的空间有效利用。

        在 Java 堆划分出不同的区域之后,垃圾收集器才可以每次只回收其中某一个或某些部分的区域,因而才有了“Minor GC/Young Gc、Major Gc/Old Gc、Full GC”这些类型的划分。也才能够针对不同区域安排与存储对象的存亡特征相匹配的垃圾收集算法,因而发展出了“标记-复制算法、标记-清除算法、标记-整理算法”。Java 堆至少会划分为新生代(Young Generation)和老年代(Old Generation)两个区域。

        4.1 标记-清楚算法

        算法分为标记和清除两个阶段,首先标记出所有需要回收的对象,在标记完成后,统一回收所有被标记的对象,也可以反过来,标记存活的对象,统一回收所有未被标记的对象。

        标记清楚算法存在如下缺点:

  • 执行效率不稳定,如果 Java 堆中存在大量对象,而其中大部分是需要回收的,这时就需要进行大量的标记和清除动作,导致标记和清除随着对象数量的增多而效率降低
  • 存在内存碎片化,标记、清楚后会存在大量不连续的内存碎片,空间碎片太多可能会导致以后再程序过程中需要分配较大对象时无法找到连续的内存空间而不得不提前触发垃圾收集

        4.2 标记-复制算法

        标记-复制算法常被称为复制算法。为了解决标记-清除算法面对大量可回收对象执行效率低的问题,提出了一种半区复制的垃圾收集算法,将可用内存分为大小相等的两块,每次只是用其中的一块。当这一块内存用完了,就将还存活的对象复制到另一块上面,然后在把已使用过的内存空间一次性清理掉。如果大多数对象是存活的,这种算法将产生大量的内存复制的开销。但对于多数对象都是可回收的情况,算法需要复制的就是占少数的存活对象,而且每次都是针对整个半区进行内存回收,分配内存时就不用考虑空间碎片的复杂情况,只要移动栈顶指针,按顺序分配即可。

        标记-复制算法的缺点是:将可用内存缩小为原来的一半,空间浪费太多。

        后来又提出一种新的回收方式。将新生代分为一块较大的Eden空间和两块较小的Survivor空间,每次分配内存只是用Eden和其中的一块Survivor。发生垃圾收集时,将Eden和Survivor中仍然存活的对象一次性复制到另一块Survivor空间上然后直接清掉Eden和那块Survicor空间。HostSpot默认Eden和Survovor比例为8:1。

        4.3 标记-整理算法

        标记-复制算法在对象存活率较高时就要进行较多的复制操作,效率降低。提出了标记-整理算法,其中标记过程一样,但后续步骤不同,而是让存活的对象向内存空间的一端移动,然后直接清理掉边界以外的内存。

        针对老年代对象的特征,提出了一种针对性的标记-整理算法。其中的标记过程依然与标记-清除算法中的标记一样,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内存空间的一端移动,然后直接清理掉边界以外的内存。

        标记清除与标记整理算法的本质差异是前者是一种非移动式的回收算法,而后者是移动式的。

往期经典推荐

JVM内存模型深度解读-CSDN博客

Synchronized同步锁的全方位剖析与实战运用-CSDN博客

Spring Cloud全方位解读——构建微服务架构的利器-CSDN博客

你真的了解Tomcat一键启停吗?-CSDN博客

Redis缓存危机大揭秘:雪崩、击穿与穿透——从理论到实战防御策略_redis缓存雪崩、穿透以及技术预防-CSDN博客

这篇关于JVM 垃圾回收机制:探秘对象生死判定与高效回收算法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!



http://www.chinasem.cn/article/829871

相关文章

基于SpringBoot+Mybatis实现Mysql分表

《基于SpringBoot+Mybatis实现Mysql分表》这篇文章主要为大家详细介绍了基于SpringBoot+Mybatis实现Mysql分表的相关知识,文中的示例代码讲解详细,感兴趣的小伙伴可... 目录基本思路定义注解创建ThreadLocal创建拦截器业务处理基本思路1.根据创建时间字段按年进

Java编译生成多个.class文件的原理和作用

《Java编译生成多个.class文件的原理和作用》作为一名经验丰富的开发者,在Java项目中执行编译后,可能会发现一个.java源文件有时会产生多个.class文件,从技术实现层面详细剖析这一现象... 目录一、内部类机制与.class文件生成成员内部类(常规内部类)局部内部类(方法内部类)匿名内部类二、

SpringBoot实现数据库读写分离的3种方法小结

《SpringBoot实现数据库读写分离的3种方法小结》为了提高系统的读写性能和可用性,读写分离是一种经典的数据库架构模式,在SpringBoot应用中,有多种方式可以实现数据库读写分离,本文将介绍三... 目录一、数据库读写分离概述二、方案一:基于AbstractRoutingDataSource实现动态

Springboot @Autowired和@Resource的区别解析

《Springboot@Autowired和@Resource的区别解析》@Resource是JDK提供的注解,只是Spring在实现上提供了这个注解的功能支持,本文给大家介绍Springboot@... 目录【一】定义【1】@Autowired【2】@Resource【二】区别【1】包含的属性不同【2】@

springboot循环依赖问题案例代码及解决办法

《springboot循环依赖问题案例代码及解决办法》在SpringBoot中,如果两个或多个Bean之间存在循环依赖(即BeanA依赖BeanB,而BeanB又依赖BeanA),会导致Spring的... 目录1. 什么是循环依赖?2. 循环依赖的场景案例3. 解决循环依赖的常见方法方法 1:使用 @La

Java枚举类实现Key-Value映射的多种实现方式

《Java枚举类实现Key-Value映射的多种实现方式》在Java开发中,枚举(Enum)是一种特殊的类,本文将详细介绍Java枚举类实现key-value映射的多种方式,有需要的小伙伴可以根据需要... 目录前言一、基础实现方式1.1 为枚举添加属性和构造方法二、http://www.cppcns.co

Elasticsearch 在 Java 中的使用教程

《Elasticsearch在Java中的使用教程》Elasticsearch是一个分布式搜索和分析引擎,基于ApacheLucene构建,能够实现实时数据的存储、搜索、和分析,它广泛应用于全文... 目录1. Elasticsearch 简介2. 环境准备2.1 安装 Elasticsearch2.2 J

Java中的String.valueOf()和toString()方法区别小结

《Java中的String.valueOf()和toString()方法区别小结》字符串操作是开发者日常编程任务中不可或缺的一部分,转换为字符串是一种常见需求,其中最常见的就是String.value... 目录String.valueOf()方法方法定义方法实现使用示例使用场景toString()方法方法

Java中List的contains()方法的使用小结

《Java中List的contains()方法的使用小结》List的contains()方法用于检查列表中是否包含指定的元素,借助equals()方法进行判断,下面就来介绍Java中List的c... 目录详细展开1. 方法签名2. 工作原理3. 使用示例4. 注意事项总结结论:List 的 contain

C#使用SQLite进行大数据量高效处理的代码示例

《C#使用SQLite进行大数据量高效处理的代码示例》在软件开发中,高效处理大数据量是一个常见且具有挑战性的任务,SQLite因其零配置、嵌入式、跨平台的特性,成为许多开发者的首选数据库,本文将深入探... 目录前言准备工作数据实体核心技术批量插入:从乌龟到猎豹的蜕变分页查询:加载百万数据异步处理:拒绝界面