Java垃圾回收机制

作者: 云飞扬1 | 来源:发表于2017-10-20 11:05 被阅读108次

程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈三个内存区域随线程而生，随线程而灭，一般不需要考虑内存回收的问题。但是Java堆和方法区的内存则不一样，它们的分配和回收都是动态的，因此Java垃圾收集主要是针对这部分区域。

1. 怎样判断对象已死

Java虚拟机要进行垃圾回收时，第一步是要判断哪些对象已死，只有已死的对象系统才会考虑进行垃圾回收。

1.1 引用计数算法

给对象添加一个引用计数器，每当有地方引用它时，计数器加1，当引用失效时，计数器减1。当引用计数器值为0时，则表示可以对该对象进行垃圾回收了。

这种方式实现很简单，但是它无法解决对象之间的循环引用的问题，所以Java里没采用这种算法。

1.2 根搜索算法

Java使用根搜索算法（GC Roots Tracing）判定对象是否存活。它的基本思路是：系统会标记一系列名为“GC Roots”的对象，以这些对象作为根节点，从上向下开始搜索，搜索走过的路径称为引用链，当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连时（从GC Roots到该对象不可达），则证明此对象是不可用的，系统就会对它们进行回收。
可作为GC Roots的对象主要有：

方法区中的类静态属性引用的对象；
方法区中的常量引用的对象；
虚拟机栈中引用的对象；
JNI引用的对象；

1.3 finalize()方法

1.3.1 finalize执行逻辑

finalize的执行逻辑大概为：当对象变成GC Roots不可达时，GC会先判断该对象是否覆盖了finalize方法，若未覆盖则直接回收该对象。若该对象覆盖了finalize方法，且虚拟机未执行过该对象的finalize方法，则将该对象放入一个名为F-Queue的队列，由一低优先级线程执行该队列中对象的finalize方法。执行完对象的finalize方法后，GC会再次判断GC Roots到该对象是否可达，若不可达则回收，若可达则该对象“复活”。

finalize执行流程.png

显示调用System.gc()并不保证GC会实际进行；
虚拟机最多只会调用一次对象的finalize()方法；
虚拟机并不保证会调用对象的finalize()方法，例如当对象没有覆盖finalize()方法时；
理论上可以手动多次调用对象的finalize()方法，但是虚拟机并不会以此来判断有没执行过finalize()方法，所以这只是个正常的方法调用，和对象的销毁过程无关；
虚拟机执行finalize()方法时是无序的，跟对象被放入到F-Queue队列的顺序无关；

1.3.2 finalize状态转换图

参考一篇文章https://notendur.hi.is//~snorri/SDK-docs/lang/lang083.htm#12exec_0001000c07010000，里面很详细的描述了finalize()方法的执行逻辑，选取了文章里的一张图，很形象地描述了对象从创建到垃圾回收前的各种状态转换图，如下所示：

finalizer-reachable

reachable：从GC Roots到该对象可达；
unreachable：从GC Roots到该对象不可达；
finalizer-reachable(f-reachable)：通过某个finalizable对象可达；
unfinalized：新建对象会先进入此状态，从未执行过finalize()方法；
finalizable：表示GC可以执行该对象的finalize()方法，如前面描述的被GC放入到F-Queue队列中的对象；
finalized：表示GC已执行过对象的finalize()方法

1.3.3 对象复活示例

public class Test { 
    
    public static Test INSTANCE = null;
    
    public void isAlive() {
        System.out.println("I am alive.");
    }
    
    @Override
    protected void finalize() throws Throwable {
        super.finalize();
        System.out.println("finalize() is called");
        //对象会在这里“复活”
        INSTANCE = this;
    }
    
    public static void main(String[] args) throws Throwable {        
        INSTANCE = new Test();
        INSTANCE = null;
        System.gc();
        Thread.sleep(500);
        if(INSTANCE != null) {
            INSTANCE.isAlive();
        } else {
            System.out.println("I am dead.");
        }
        
        INSTANCE = null;
        System.gc();
        Thread.sleep(500);
        if(INSTANCE != null) {
            INSTANCE.isAlive();
        } else {
            System.out.println("I am dead.");
        }   
    }
}

运行结果如下：

finalize() is called
I am alive.
I am dead.

1.4 方法区垃圾回收

垃圾回收主要发生在Java堆中，但是不代表其他内存区域不会发生垃圾回收。方法区属于永久代，在这里进行垃圾回收的效率比较低，但不代表这里不会发生垃圾回收，方法区主要回收两部分内容：废弃常量和无用类。
满足以下3个条件的类称之为无用类：

该类的所有对象实例已经被回收；
加载该类的ClassLoader已经被回收；
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；

2. 垃圾回收机制

2.1 分代划分

对象的生命周期有长有短，有的对象瞬间就消亡，有的对象可能一直存活，有的对象则存活一段时间后就消亡。类似我们普通人的生命一样，对象从创建开始也会拥有一个“年龄”，根据对象的年龄大小，java虚拟机会将内存区域分为几个不同的区域，一般划分为新生代、老年代、永久代，这样就可以根据各个年代的特点采用最适当的垃圾收集算法。

新生代（Young Generation）
主要是Java堆中新创建的对象，对象刚创建时一般会被放到新生代里，新生代中的对象98%是朝生夕死的。
老年代（Old Generation）
Java堆中对象存活比较长时间之后，会被移动到老年代里，所以这个区域的对象“年龄”都比较大。
永久代（Permanent Generation）
永久代一般指方法区中的对象，方法区中的垃圾回收比较少，我们可以认为永久代中的对象永远存活不会被回收（当然实际情况不是如此，方法区中也是可能会发生垃圾回收的）。

简单点理解，我们可以大致认为：

Java堆内存 = 新生代 + 老年代
方法区     = 永久代

2.2 分代垃圾回收

Java虚拟机是采用分代垃圾回收机制进行垃圾回收的，一般有2种GC方式：
Minor GC：指发生在新生代的垃圾回收，因为新生代的对象大部分朝生夕灭，因此Minor GC非常频繁，回收速度也非常快。这里一般采用复制算法，不会产生内存碎片，并且速度快，但是会浪费一定的内存空间。
Major GC：也叫Full GC，指发生在老年代的垃圾回收，通常至少触发一次Minor GC之后，才会发生Major GC（但并不绝对），Major GC的速度会比较慢，所以如果频繁触发Major GC则可能会影响程序性能。这里一般采用标记-清除、标记-整理算法，这种算法不会浪费内存空间，但是速度不如复制算法。

分代示意图

2.2.1 新生代垃圾回收

从“分代示意图”中可以看到，新生代空间被分为3个区域：Eden Space、Survivor1、Survivor2，Survivor1与Survivor2合起来又通常叫做幸存者区，这三者所占空间的比例大小通常为8:1:1，当然你可以手动修改虚拟机配置参数来改变这三者的比例。

大多数情况下，新生的对象在Eden Space中分配内存，当Eden Space空间不足时，则触发一次Minor GC；
大对象直接分配到老年代。大对象指那些需要连续分配大量内存空间的对象，例如很长的字符串及数组。大对象如果分配到新生代里，可能直接导致新生代内存空间不足，或者新生代大部分空间被占用，这样很容易就触发GC。
Minor GC过程：新生代中有2个Survivor区域，我们把其中“Survivor1”叫做“From Survivor Space”，“Survivor2”叫做“To Survivor Space”，当发生GC后，虚拟机会把Eden Space和From Survivor Space中存活的对象全部复制到To Survivor Space，然后一次性清理Eden和From Survivor区域的内存。接下来对象依旧在Eden Space进行内存分配，当Eden Space空间又不足时，再次发生GC，这个时候我们互换“Survivor1”与“Survivor2”的角色，把“Survivor2”叫做“From Survivor Space”，把“Survivor1”叫做“To Survivor Space”，同样虚拟机会把Eden Space和From Survivor Space中存活的对象全部复制到To Survivor Space。
新生代采用复制算法来进行内存清理，每次都会浪费其中一块Survivor区域，能使用的内存空间大概是90%。

2.2.2 对象如何晋升到老年代

虚拟机为每个对象都定义了一个年龄值（age），对象在Eden Space中被创建时age = 0，发生过一次Minor GC后，如果对象依旧存活并被移动到Survivor区域中，这时候对象age = 1。以后每发生一次Minor GC，如果对象依旧存活则对象的age就加1，当age等于指定年龄时（默认为15岁），对象就晋升到老年代，虚拟机会将对象从Survivor Space移动到Tenured Space中。
发生Minor GC后，如果发现Survivor区域无法容纳全部存活的对象，则对象会被提前转移到老年代中。

系列文：
1.Java内存区域
 2.Java内存溢出情况
 3.Java垃圾回收机制