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java垃圾回收机制

全面分析Java的垃圾回收机制

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Java的堆是一个运行时数据区,类的实例(对象)从中分配空间。Java虚拟机(JVM)的堆中储存着正在运行的应用程序所建立的所有对象,这些对象通过new、newarray、anewarray和multianewarray等指令建立,但是它们不需要程序代码来显式地释放。一般来说,堆的是由垃圾回收 来负责的,尽管JVM规范并不要求特殊的垃圾回收技术,甚至根本就不需要垃圾回收,但是由于内存的有限性,JVM在实现的时候都有一个由垃圾回收所管理的堆。垃圾回收是一种动态存储管理技术,它自动地释放不再被程序引用的对象,按照特定的垃圾收集算法来实现资源自动回收的功能。

垃圾收集的意义

在C++中,对象所占的内存在程序结束运行之前一直被占用,在明确释放之前不能分配给其它对象;而在Java中,当没有对象引用指向原先分配给某个对象的内存时,该内存便成为垃圾。JVM的一个系统级线程会自动释放该内存块。垃圾收集意味着程序不再需要的对象是"无用信息",这些信息将被丢弃。当一个对象不再被引用的时候,内存回收它占领的空间,以便空间被后来的新对象使用。事实上,除了释放没用的对象,垃圾收集也可以清除内存记录碎片。由于创建对象和垃圾收集器释放丢弃对象所占的内存空间,内存会出现碎片。碎片是分配给对象的内存块之间的空闲内存洞。碎片整理将所占用的堆内存移到堆的一端,JVM将整理出的内存分配给新的对象。

垃圾收集能自动释放内存空间,减轻编程的负担。这使Java 虚拟机具有一些优点。首先,它能使编程效率提高。在没有垃圾收集机制的时候,可能要花许多时间来解决一个难懂的存储器问题。在用Java语言编程的时候,靠垃圾收集机制可大大缩短时间。其次是它保护程序的完整性, 垃圾收集是Java语言安全性策略的一个重要部份。

垃圾收集的一个潜在的缺点是它的开销影响程序性能。Java虚拟机必须追踪运行程序中有用的对象, 而且最终释放没用的对象。这一个过程需要花费处理器的时间。其次垃圾收集算法的不完备性,早先采用的某些垃圾收集算法就不能保证100%收集到所有的废弃内存。当然随着垃圾收集算法的不断改进以及软硬件运行效率的不断提升,这些问题都可以迎刃而解。

垃圾收集的算法分析

Java语言规范没有明确地说明JVM使用哪种垃圾回收算法,但是任何一种垃圾收集算法一般要做2件基本的事情:(1)发现无用信息对象;(2)回收被无用对象占用的内存空间,使该空间可被程序再次使用。

大多数垃圾回收算法使用了根集(root set)这个概念;所谓根集就量正在执行的Java程序可以访问的引用变量的集合(包括局部变量、参数、类变量),程序可以使用引用变量访问对象的属性和调用对象的方法。垃圾收集首选需要确定从根开始哪些是可达的和哪些是不可达的,从根集可达的对象都是活动对象,它们不能作为垃圾被回收,这也包括从根集间接可达的对象。而根集通过任意路径不可达的对象符合垃圾收集的条件,应该被回收。下面介绍几个常用的算法。

1、 引用计数法(Reference Counting Collector)

引用计数法是唯一没有使用根集的垃圾回收的法,该算法使用引用计数器来区分存活对象和不再使用的对象。一般来说,堆中的每个对象对应一个引用计数器。当每一次创建一个对象并赋给一个变量时,引用计数器置为1。当对象被赋给任意变量时,引用计数器每次加1当对象出了作用域后(该对象丢弃不再使用),引用计数器减1,一旦引用计数器为0,对象就满足了垃圾收集的条件。

基于引用计数器的垃圾收集器运行较快,不会长时间中断程序执行,适宜地必须 实时运行的程序。但引用计数器增加了程序执行的开销,因为每次对象赋给新的变量,计数器加1,而每次现有对象出了作用域生,计数器减1。

2、tracing算法(Tracing Collector)

tracing算法是为了解决引用计数法的问题而提出,它使用了根集的概念。基于tracing算法的垃圾收集器从根集开始扫描,识别出哪些对象可达,哪些对象不可达,并用某种方式标记可达对象,例如对每个可达对象设置一个或多个位。在扫描识别过程中,基于tracing算法的垃圾收集也称为标记和清除(mark-and-sweep)垃圾收集器.

3、compacting算法(Compacting Collector)

为了解决堆碎片问题,基于tracing的垃圾回收吸收了Compacting算法的思想,在清除的过程中,算法将所有的对象移到堆的一端,堆的另一端就变成了一个相邻的空闲内存区,收集器会对它移动的所有对象的所有引用进行更新,使得这些引用在新的位置能识别原来 的对象。在基于Compacting算法的收集器的实现中,一般增加句柄和句柄表。

4、copying算法(Coping Collector)

该算法的提出是为了克服句柄的开销和解决堆碎片的垃圾回收。它开始时把堆分成 一个对象 面和多个空闲面, 程序从对象面为对象分配空间,当对象满了,基于coping算法的垃圾 收集就从根集中扫描活动对象,并将每个 活动对象复制到空闲面(使得活动对象所占的内存之间没有空闲洞),这样空闲面变成了对象面,原来的对象面变成了空闲面,程序会在新的对象面中分配内存。

一种典型的基于coping算法的垃圾回收是stop-and-copy算法,它将堆分成对象面和空闲区域面,在对象面与空闲区域面的切换过程中,程序暂停执行。

5、generation算法(Generational Collector)

stop-and-copy垃圾收集器的一个缺陷是收集器必须复制所有的活动对象,这增加了程序等待时间,这是coping算法低效的原因。在程序设计中有这样的规律:多数对象存在的时间比较短,少数的存在时间比较长。因此,generation算法将堆分成两个或多个,每个子堆作为对象的一代(generation)。由于多数对象存在的时间比较短,随着程序丢弃不使用的对象,垃圾收集器将从最年轻的子堆中收集这些对象。在分代式的垃圾收集器运行后,上次运行存活下来的对象移到下一最高代的子堆中,由于老一代的子堆不会经常被回收,因而节省了时间。

6、adaptive算法(Adaptive Collector)

在特定的情况下,一些垃圾收集算法会优于其它算法。基于Adaptive算法的垃圾收集器就是监控当前堆的使用情况,并将选择适当算法的垃圾收集器。

JVM垃圾收集机制

JVM垃圾回收机制是java程序员必须要了解的知识,对于程序调优具有很大的帮助(同时也是大厂面试必问题)。

要了解垃圾回收机制,主要从三个方面:

(1)垃圾回收面向的对象是谁?

(2)垃圾回收算法有哪些?

(3)垃圾收集器有哪些?每个收集器有什么特点。

接下来一一讲解清楚:

一、垃圾回收面向的对象

也就是字面意思, 垃圾 回收嘛,重要的是垃圾,那什么对象是垃圾呢,简单来说就是无用的或已死的对象。这样又引申出来什么对象是已死的,怎么判断对象是否已死?

判断对象是否已死有两种算法和对象引用分类:

(1)引用计数算法:

也是字面意思,通过给对象添加引用计数器,添加引用+1,反之-1。当引用为0的时候,此时对象就可判断为无用的。

优点:实现简单,效率高。

缺点:无法解决循环引用(就是A引用B,B也引用A的情况)的问题。

(2)根搜索算法(也就是GC Roots):

通过一系列称为GC Roots的对象,向下搜索,路径为引用链,当某个对象无法向上搜索到GC Roots,也就是成为GC Roots不可达,则为无用对象。

如果一个对象是GC Roots不可达,则需要经过两次标记才会进行回收,第一次标记的时候,会判断是否需要执行finalize方法(没必要执行的情况:没实现finalize方法或者已经执行过)。如果需要执行finalize方法,则会放入一个回收队列中,对于回收队列中的对象,如果执行finalize方法之后,没法将对象重新跟GC Roots进行关联,则会进行回收。

很抽象,对吧,来一个明了的解释?

比如手机坏了(不可达对象),有钱不在乎就直接拿去回收(这就是没实现finalize方法),如果已经修过但是修不好了(已经执行过finalize方法),就直接拿去回收站回收掉。如果没修过,就会拿去维修店(回收队列)进行维修,实在维修不好了(执行了finalize方法,但是无法连上GC Roots),就会拿去回收站回收掉了。

那什么对象可以成为GC Roots呢?

1虚拟机栈中的引用对象

2本地方法栈中Native方法引用的对象

2方法区静态属性引用对象

3方法区常量引用对象

(3)对象引用分类

1强引用:例如实例一个对象,就是即使内存不够用了,打死都不回收的那种。

2软引用:有用非必须对象,内存够,则不进行回收,内存不够,则回收。例如A借钱给B,当A还有钱的时候,B可以先不还,A没钱了,B就必须还了。

3弱引用:非必须对象,只能存活到下一次垃圾回收前。

4虚引用:幽灵引用,必须跟引用队列配合使用,目的是回收前收到系统通知。

下面是java的引用类型结构图:

(1)软引用示例

内存够用的情况:

运行结果:

内存不够用的情况:

运行结果:

(2)弱引用示例结果:

无论如何都会被回收

(3)虚引用示例:

运行结果:

解释:为什么2和5的输出为null呢,如下

3为null是因为还没有进行gc,所以对象还没加入到引用队列中,在gc后就加入到了引用队列中,所以6有值。

这个虚引用在GC后会将对象放到引用队列中,所以可以在对象回收后做相应的操作,判断对象是否在引用队列中,可以进行后置通知,类似spring aop的后置通知。

二、垃圾回收发生的区域

垃圾回收主要发生在堆内存里面,而堆内存又细分为 年轻代 和 老年代 ,默认情况下年轻代和老年代比例为1:2,比如整个堆内存大小为3G,年轻代和老年代分别就是1G和2G,想要更改这个比例需要修改JVM参数-XX:NewRatio,

比如-XX:NewRatio=4,那老年代:年轻代=4:1。而年轻代又分为Eden区,S0(Survivor From)和S1(Survivor To)区,一般Eden:S0:S1=8:1:1,如果想要更改此比例,则修改JVM参数-XX:SurvivorRatio=4,此时就是Eden:S0:S1=4:1:1。

在年轻代发生GC称为Young GC,老年代发生GC成为Full GC,Young GC比Full GC频繁。

解析Young GC:

JVM启动后,第一次GC,就会把Eden区存活的对象移入S0区;第二次GC就是Eden区和S0一起GC,此时会把存活的对象移入S1区,S0清空;第三次GC就是Eden区和S1区进行GC,会把存活的对象移入S0区,如此往复循环15次(默认),就会把存活的对象存入老年区。

类似与如果有三个桶,编号分别为1(1号桶内的沙子是源源不断的,就像工地上。你们没去工地搬过砖可能不知道,但是我真的去工地上搬过啊),2,3。1里面装有沙子,需要将沙子筛为细沙。首先将桶1内的沙子筛选一遍过后的放置于桶2,第二次筛选就会将桶1和桶2里面的沙子一起筛,筛完之后放到桶3内,桶2清空。第三次筛选就会将桶1和桶3的沙子一起筛选,晒完放到桶2内,桶3清空。如此往复循环15次,桶2或桶3里面的沙子就是合格的沙子,就需要放到备用桶内以待使用。

上述中桶1就是Eden区,桶2就是S0区,桶3就是S1区。

三、垃圾回收算法

三种,分别是复制算法,标记-清除算法,标记-整理算法。

(1)复制算法。

其会将内存区域分成同样大小的两块,一块用来使用,另外一块在GC的时候存放存活的对象,然后将使用的一块清除。如此循环往复。

适用于新生代。

优点:没有内存碎片,缺点:只能使用一般的内存。

(2)标记-清除算法。

使用所有内存区域,在GC的时候会将需要回收的内存区域先进行标记,然后同意回收。

适用于老年代。

缺点:产生大量内存碎片,会直接导致大对象无法分配内存。

(3)标记-整理算法。

使用所有内存区域,在GC的时候会先将需要回收的内存区域进行标记,然后将存活对象忘一边移动,最后将清理掉边界以外的所有内存。

适用于老年代。

四、GC日志查看

利用JVM参数-XX:+PrintGCDetails就可以在GC的时候打印出GC日志。

年轻代GC日志:

老年代GC日志:

五、垃圾收集器

主要有四类收集器以及七大收集器

四类:

(1)Serial:单线程收集器,阻塞工作线程,它一工作,全部都得停下。

(2)Paralle:Serial的多线程版本,也是阻塞工作线程

(3)CMS(ConcMarkSweep):并行垃圾收集器,可以和工作线程一起工作。

(4)G1:将堆分成大小一致的区域,然后并发的对其进行垃圾回收。

怎么查看默认的收集器呢?

用JVM参数-XX:+PrintCommandLineFlags,运行之后会输出如下参数。可以看到,jdk1.8默认是Parallel收集器。

七大收集器:

(1)Serial:串行垃圾收集器,单线程收集器。用于新生代。用JVM参数-XX:+UseSerialGC开启,开启后Young区用Serial(底层复制算法),Old区用Serial Old(Serial的老年代版本,底层是标记整理算法)。

(2)ParNew:用于新生代,并行收集器。就是Serial的多线程版本。用JVM参数-XX:+UseParNewGC,young:parnew,复制算法。Old:serialOld,标记整理算法。-XX:ParallecGCThreads限制线程回收数量,默认跟cpu数目一样。只是新生代用并行,老年代用串行。

(3)Parallel Scavenge:并行回收收集器。用JVM参数-XX:+UseParallelGC开启,young:parallel scavenge(底层是复制算法),old:parallel old(parallel的老年代版本,底层是标记整理),新生代老年代都用并行回收器。

这个收集器有两个优点:

可控的吞吐量 :就是工作线程工作90%的时间,回收线程工作10%的时间,即是说有90%的吞吐量。

自适应调节策略 :会动态调节参数以获取最短的停顿时间。

(4)Parallel Old:Parallel Scavenge的老年代版本,用的是标记整理算法。用JVM参数-XX:+UseParallelOldGC开启,新生代用Parallel Scavenge,老年代用Parallel Old

(5)CMS(ConcMarkSweep):并发标记清除。 底层是标记清除算法,所以会产生内存碎片,同时也会耗cpu。 以获取最短回收停顿时间为目标。-XX:+UseConcMarkSweep,新生代用ParNew,老年代用CMS。CMS必须在堆内存用完之前进行清除,否则会失败,这时会调用SerialOld后备收集器。

初始标记和重新标记都会停止工作线程,并发标记和并发清除会跟工作线程一起工作。

(6)SerialOld:老年代串行收集器(以后Hotspot虚拟机会直接移除掉)。

(7)G1:G1垃圾收集器,算法是标记整理,不会产生内存碎片。横跨新生代老年代。实现尽量高吞吐量,满足回收停顿时间更短。

G1可以精确控制垃圾收集的停顿时间,用JVM参数-XX:MaxGCPauseMillis=n,n为停顿时间,单位为毫秒。

区域化内存划片Region,会把整个堆划分成同样大小的区域块(1MB~32MB),最多2048个内存区域块,所以能支持的最大内存为32*2048=65535MB,约为64G。

上图是收集前和收集后的对比,有些对象很大,分割之后就是连续的区域,也即是上图的Humongous。

上述理论可能有点乏味,下图很清晰明了(某度找的)。

下面来一张整个垃圾回收机制的思维导图(太大,分成两部分)。

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我是Liusy,一个喜欢健身的程序猿。

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java什么时候该写.close()释放资源?

虽然Java有自动内存回收机制,但是如果是数据库连接、网络连接、文件操作等,不close是不会被回收的,属于不正确的代码。\x0d\x0a也就是说,有close方法,必须得自己调用一下才行。\x0d\x0a垃圾回收机制仅在Java虚拟机所控制的范围内释放资源。\x0d\x0a对于类似于数据库连接、socket以及文件操作等,\x0d\x0a如果有close方法,在你完成任务后执行它\x0d\x0a并且最好在finally块内做close,因为即使发生了例外,这些代码也能被调用。\x0d\x0a对于使用完了的对象来讲,Java不推荐使用类似于C++的析构函数来释放内存(C++中new完后得delete,Java中new完,使用后,将其置\x0d\x0a成null比较好),因为GC会调节最适当的时间来释放内存,在程序中滥用delete会降低Java程序的性能(但应该不会引发额外的错误)。


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