《Java 虚拟机原理》5.1 GC垃圾收集及案例分析

时间：2023-06-27 15:45:01 | 来源：网站运营

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《Java 虚拟机原理》5.1 GC垃圾收集及案例分析：一、GC什么对象

GC的对象是没有存活的对象，判断没有存活的对象有两种常用方法：引用计数和可达性分析。

1.1 java的GCRoots引用对象

在 Java 虚拟机的语境下，垃圾指的是死亡的对象所占据的堆空间。

a. 虚拟机栈中引用的对象。

b. 方法区中静态属性引用的对象。

c.方法区中常量引用的对象。

d.本地方法中JNI引用的对象。

说明：当前对象到GCRoots中不可达时候，即会满足被垃圾回收的可能。这些对象但不是就非死不可，此时只能宣判它们存在于一种“缓刑”的阶段，要真正的宣告一个对象死亡。至少要经历两次标记：

第一次：对象可达性分析之后，发现没有与GCRoots相连接，此时会被第一次标记并筛选。

第二次：对象没有覆盖finalize()方法，或者finalize()方法已经被虚拟机调用过，此时会被认定为没必要执行。

1.2 结合GC对象回顾java虚拟机内存

说明：a. 虚拟机栈中引用的对象、b. 方法区中静态属性引用的对象（b.1基本类型数据是存储在运行时常量池）、c.方法区中常量引用的对象，d.本地方法中JNI引用的对象，这些对象都存储在java堆。







图1 GC对象在java虚拟机内存图

二、什么时候GC

2.1 判断没有存活的对象有两种常用方法

如何辨别一个对象的存亡是关键问题。

1.引用计数

每个对象有一个引用计数属性，新增一个引用时计数加1，引用释放时计数减1，计数为0时可以回收。此方法简单，无法解决对象相互循环引用的问题。

优点：实现简单，判定效率高效，被actionscript3和python中广泛应用。

缺点：无法解决对象之间的循环引用问题。







图2 循环引用场景

2.可达性分析

目前 Java 虚拟机的主流垃圾回收器采取的是可达性分析算法。该算法的实质：将一系列 GC Roots 作为初始的存活对象合集（live set），然后从该合集出发，探索所有能够被该集合引用到的对象，并将其加入到该集合中，这个过程我们也称之为标记（mark）。最终，未被探索到的对象便是死亡的，是可以回收的。

从GC Roots开始向下搜索，搜索所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，则证明此对象是不可用的不可达对象。如下图所示，右侧的对象是到GCRoot时不可达的，可以判定为可回收对象。







图3 可达性分析

思考题：什么是GC Roots？GC Roots与GC对象的关系？

解答：由堆外指向堆内的引用，一般而言，GC Roots 包括（但不限于）下列几种，Java 方法栈桢中的局部变量、已加载类的静态变量、JNI handles、已启动且未停止的 Java 线程。因此，GC Roots是GC对象的引用。

可达性分析法的问题：在多线程环境下，其他线程可能会更新已经访问过的对象中的引用，从而造成误报（将引用设置为 null）或者漏报（将引用设置为未被访问过的对象）。误报使得Java 虚拟机损失该次垃圾回收的机会。漏报则比较麻烦，因为垃圾回收器可能回收事实上仍被引用的对象内存。一旦从原引用访问已经被回收了的对象，则很有可能会直接导致 Java 虚拟机崩溃。

2.2 触发GC的动作及时机

（1）动作：程序调用System.gc时可以触发。

（2）时机：系统自身来决定GC触发的时机

根据Eden区和From Space区的内存大小来决定，当内存大小不足时，则会启动GC线程并停止应用线程，GC又分为 Minor GC 和 Full GC。

Minor GC触发条件：① 当 Eden 区满时，触发 Minor GC。

② 当 FromSuv 或者 ToSuv 区满时，触发 Minor GC。

Full GC触发条件： ① 调用System.gc时，系统建议执行Full GC，但是不必然执行

② Heap 的老年区空间不足

③ Metaspace 空间不足

④ 通过Minor GC后进入老年代的平均大小大于老年代的可用内存

⑤ 由Eden区、From Space区向To Space区复制时，对象大小大于To Space可用内存，则把该对象转存到老年代，且老年代的可用内存小于该对象大小

三、如何进行GC

GC算法是内存回收的理论方法，而GC垃圾收集器则是是内存回收的具体实现。下面的内容先讲GC常用算法。

3.1 GC算法理论基础

GC算法是内存回收的理论方法。GC常用算法理论有：标记-清除算法，标记-压缩算法，复制算法，分代收集算法。即回收垃圾对象的内存共有三种方式，分别为：会造成内存碎片的清除、性能开销较大的压缩、以及堆使用效率较低的复制。目前主流的JVM（HotSpot）采用的是分代收集算法。

3.1.1 标记清除法

标记清除法是垃圾回收算法的思想基础。标记清除算法将垃圾分为两个阶段：标记阶段和清除阶段。

标记阶段：通过根节点，标记所有从根节点开始的可达对象，未标记过的对象就是未被引用的垃圾对象。

清除阶段：清除所有未被标记的对象。







图4 标记清除算法

3.1.2 复制算法

复制算法是，将原有的内存空间分为两块，每次只使用其中一块，在垃圾回收时，将正在适用的内存中存活对象复制到未使用的内存块，然后清除使用的内存块中所有的对象。







图5 复制算法

3.1.3 标记压缩算法

标记压缩算法是一种老年代的回收算法。

标记阶段：与标记清除算法一致，对可达对象做一次标记。

清理阶段：为了避免内存碎片产生，将所有的存活对象压缩到内存的一端。







图6 标记压缩算法

四、Java虚拟机的堆划分

Java 虚拟机将堆划分为新生代和老年代。其中，新生代又被划分为 Eden 区，以及两个大小相同的 Survivor 区即FromSuv和ToSuv。







当调用new 指令时，java虚拟机在Eden区中划出一块作为存储对象的内存。由于堆空间是线程共享的，因此直接在Eden区是需要进行同步的。new 指令，便可以直接通过指针加法（bump the pointer）来实现，即把指向空余内存位置的指针加上所请求的字节数。

问题1：两个线程同时new Object1对象，则堆如何划分内存？

解答：由于堆内存是线程共享的，同步为两个线程分别划分object1的内存空间，即有2个object1对象。该技术被称为TLAB（Thread Local Allocation Buffer，对应虚拟机参数 -XX:+UseTLAB，默认开启）。

问题2：当 Eden 区的空间耗尽了怎么办？

解答：这个时候Java虚拟机会触发一次Minor GC，来收集新生代的垃圾。存活下来的对象，则会被送到Survivor区。

问题3：新生代的两个Survivor 区，即FromSuv和ToSuv有什么用处？

解答：当Minor GC时，Eden和FromSuv中的存活对象会被复制到ToSuv中，然后交换FromSuv和ToSuv指针，以保证下一次Minor GC时，ToSuv还是空的。满足两种情况之一，可以使对象移动到老年代：1. Minor GC，存活对象从FromSuv复制到ToSuv，其对象的age+1，当超过（默认值）15的时候，转移到老年代；2. 动态对象，如果survivor空间中相同年龄所有的对象大小总和，大于survivor空间的一半，则年级大于或等于该年级的对象就可以直接进入老年代。

注意：Minor GC只针对新生代进行垃圾回收，所以在枚举 GC Roots 的时候，需要考虑从老年代到新生代的引用。为了避免扫描整个老年代，Java 虚拟机引入卡表（Card Table）的技术，大致地标出可能存在老年代到新生代引用的内存区域。

五、GC案例分析

从一个object1分析该对象在分代垃圾回收算法中的回收轨迹。

Minor GC是指发生在新生代的GC，因为Java对象大多是朝生夕灭，所以Minor GC非常频繁，一般回收速度也比较快；Full GC是指发生在老年代的GC，出现Full GC一般会伴随至少一次的Minor GC，其速度一般比Minor GC慢10倍以上。

步骤1：实例化object1，出生于新生代的Eden区域；







步骤2：Minor GC，object1移动到新生代的Fromsuv区域，object1还存活。







步骤3：Minor GC，通过复制算法将object1移动到新生代的ToSuv区域，同时object1的年龄age+1，object1 依然存活；







步骤4：Minor GC，在新生代的survivor区域中，与object1同龄的对象并没有达到survivor的一半。因此，通过复制算法将FromSuv和ToSuv 区域进行互换，object1对象被移动到了新生代的ToSuv，object1 依然存活；







步骤5：Minor GC，此时survivor中和object1同龄的对象已经达到survivor的一半以上，object1被移动到了老年代区域，object1 依然存活。







满足两种情况之一，都可以使object1对象移动到老年代：

1. Minor GC，存活于survivor 区域的object1对象的age+1，当超过（默认值）15的时候，转移到老年代；注意：minor GC下，步骤2/3/4中的移动/复制全部Tosuv/Fromsuv区域的对象。

2. 动态对象，如果survivor空间中相同年龄所有的对象大小总和，大于survivor空间的一半，则年级大于或等于该年级的对象就可以直接进入老年代。

步骤6：Full GC会触发stop the world。object1存活一段时间后，此时GC Roots不可达object1，而且此时老年代空间比率已经超过了阈值，触发了Full GC，此时object1被回收。

注意：object1 被回收的必要条件是 object1 不可达（GC Roots），即 object1 的引用是弱引用。







以上的步骤采用分代垃圾收集的思想，描述object1对象从存活到死亡的过程。新生代：采用复制算法，老年代：采用标记-清除算法或者标记-整理算法。

stop the world是一种简单除暴的方式，即停止其他非垃圾回收线程的工作，直到完成垃圾回收。Java 虚拟机中的 stop the world 是通过安全点（safepoint）机制来实现的。当 Java 虚拟机收到 Stop-the-world 请求，它便会等待所有的线程都到达安全点，才允许请求 stop the world 的线程进行独占的工作。安全点的初始目的并不是让其他线程停下，而是找到一个稳定的执行状态。例如，java执行某个JNI本地方法时，不访问Java对象、调用Java方法、返回至原Java方法，则Java虚拟机的堆栈不会发生改变，所以这段代码可以作为安全点。因此，Java虚拟机在这个安全点，可以同时进行垃圾回收和执行这段代码。