标签：Java 对象 虚拟机 回收 GC 垃圾 机制 内存

Java虚拟机的自动内存管理，将原本需要由开发人员手动回收的内存，交给垃圾回收器来自动回收。不过既然是自动机制，肯定没法做到像手动回收那般精准高效，而且还会带来不少与垃圾回收实现相关的问题。

引用计数法与可达性分析

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。这里便涉及了一个关键的问题：如何辨别一个对象是存是亡？

引用计数法（reference counting）：它的做法是为每个对象添加一个引用计数器，用来统计指向该对象的引用个数。一旦某个对象的引用计数器为0，则说明该对象已经死亡，便可以被回收了

缺点：

• 需要额外的空间来存储计数器，以及繁琐的更新操作

• 无法处理循环引用对象

MyObject myObject1 = newMyObject();  //object1为 MyObject1的第一次引用 ，引用+1
MyObject myObject2 = newMyObject();  //object2为 MyObject2的第一次引用，引用+1

myObject1.ref = myObject2;  //object1.ref 为 MyObject2的第二次引用，引用+1
myObject2.ref = myObject1;  //object2.ref 为 MyObject1的第二次引用，引用+1

myObject1 = null;  //MyObject1对象的引用-1
myObject2 = null;  //MyObject2对象的引用-1

但是myObject1和 myObject2这俩个对象仍然还有一次引用（引用不是0）垃圾回收器就无法回收他们，就出现了循环引用而导致的内存泄漏问题

可达性分析算法：目前Java虚拟机的主流垃圾回收器，通过一系列称为"GC Roots"的对象作为起始点，从这些节点开始向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链(Reference Chain)，当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连，则证明此对象不可用

上图中reference1 reference2 reference3都属于GC Roots，堆中对象实例3和5虽然互相引用但是没有任何GC Roots引用链 也就造成了不可达最终就会当做垃圾回收掉

GC Roots我们可以暂时理解为由堆外指向堆内的引用，GC Roots包括（但不限于）如下几种：

• 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。

Stop-the-world以及安全点

在Java虚拟机里，传统的垃圾回收算法采用的是一种简单粗暴的方式，那便是Stop-the-world，停止其他非垃圾回收线程的工作，直到完成垃圾回收。这也就造成了垃圾回收所谓的暂停时间（GC pause）

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。在这个执行状态下，Java虚拟机的堆栈不会发生变化。这么一来，垃圾回收器便能够“安全”地执行可达性分析

举个例子，当Java程序通过JNI执行本地代码时，如果这段代码不访问Java对象、调用Java方法或者返回至原Java方法，那么Java虚拟机的堆栈不会发生改变，也就代表着这段本地代码可以作为同一个安全点。

只要不离开这个安全点，Java虚拟机便能够在垃圾回收的同时，继续运行这段本地代码。

除了执行JNI本地代码外，Java线程还有其他几种状态：解释执行字节码、执行即时编译器生成的机器码和线程阻塞。阻塞的线程由于处于Java虚拟机线程调度器的掌控之下，因此属于安全点。

其他几种状态则是运行状态，需要虚拟机保证在可预见的时间内进入安全点。否则，垃圾回收线程可能长期处于等待所有线程进入安全点的状态，从而变相地提高了垃圾回收的暂停时间。

垃圾回收的三种方式

第一种标记清除法：

标记：垃圾回收器此时会找出内存哪些在使用中，哪些不是。垃圾回收器要检查完所有的对象，才能知道哪些有被引用，哪些没。如果系统里所有的对象都要检查，那这一步可能会相当耗时间。

清除：会把死亡对象所占据的内存标记为空闲内存，并记录在一个空闲列表（free list）之中。当需要新建对象时，内存管理模块便会从该空闲列表中寻找空闲内存，并划分给新建的对象

• 优点：标记清除算法的特点就是简单直接，速度也非常块，特别适合可回收对象不多的场景

• 缺点：

  • 会造成不连续的内存空间，空间碎片会导致后面的GC频率增加

  • 性能不稳定，内存中需要回收的对象，当内存中大量对象都是需要回收的时候，通常这些对象可能比较分散，所以清除的过程会比较耗时，这个时候清理的速度就会比较慢了。

第二种标记压缩法：同样分为两个阶段，第一阶段标记，第二阶段即把存活的对象聚集到内存区域的起始位置，再清理掉边界以外的死亡对象，从而留下一段连续的内存空间。这种做法能够解决内存碎片化的问题，但代价是压缩算法的性能开销。

• 优点：解决内存碎片化的问题 适合存活对象多的场景

• 缺点：是三种之中性能最低的一种，因为标记压缩法在移动对象的时候不仅需要移动对象，还要额外的维护对象的引用的地址，这个过程可能要对内存经过几次的扫描定位才能完成，做的事情越多那么必然消耗的时间也越多

第三种复制法：即把内存区域分为两等分，分别用两个指针from和to来维护，并且只是用from指针指向的内存区域来分配内存。当发生垃圾回收时，便把存活的对象复制到to指针指向的内存区域中，并且交换from指针和to指针的内容。复制这种回收方式同样能够解决内存碎片化的问题。（下面的文章有详细介绍）

• 优点：每次清除针对的都是一整块内存，所以清除可回收对象的效率也比较高。解决内存碎片化

• 缺点：

  • 堆空间的使用效率极其低下

  • 存活对象多会非常耗时，因为复制移动对象的过程比较耗时 + 对象复制移动后需要维护对象的引用地址

  • 需要担保机制，因为复制区总会有一块空的空间浪费而为了减少浪费空间太多，所以我们会把复制区的空间分配控制在很小的区间，但是空间太小又会产生一个问题，就是在存活的对象比较多的时候，这时复制区的空间可能不够容纳这些对象，这时就需要借一些空间来保证容纳这些对象，这种从其他地方借内存的方式我们称它为担保机制

当然，现代的垃圾回收器往往会综合上述几种回收方式，综合它们优点的同时规避它们的缺点

对象存活时间统计

（pmd中Java对象生命周期的直方图，红色的表示被逃逸分析优化掉的对象）

许多研究人员的假设：即大部分的Java对象只存活一小段时间，而存活下来的小部分Java对象则会存活很长一段时间。

之所以要提到这个假设，是因为它造就了Java虚拟机的分代回收思想。简单来说，就是将堆空间划分为两代，分别叫做新生代和老年代。新生代用来存储新建的对象。当对象存活时间够长时，则将其移动到老年代。

Java虚拟机可以给不同代使用不同的回收算法。对于新生代，我们猜测大部分的Java对象只存活一小段时间，那么便可以频繁地采用耗时较短的垃圾回收算法，让大部分的垃圾都能够在新生代被回收掉。

对于老年代，我们猜测大部分的垃圾已经在新生代中被回收了，而在老年代中的对象有大概率会继续存活。当真正触发针对老年代的回收时，则代表这个假设出错了，或者堆的空间已经耗尽了。

这时候，Java虚拟机往往需要做一次全堆扫描，耗时也将不计成本。（当然，现代的垃圾回收器都在并发收集的道路上发展，来避免这种全堆扫描的情况。）

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。

默认情况下，Java虚拟机采取的是一种动态分配的策略（对应Java虚拟机参数-XX:+UsePSAdaptiveSurvivorSizePolicy），根据生成对象的速率，以及Survivor区的使用情况动态调整Eden区和Survivor区的比例。

当然，你也可以通过参数-XX:SurvivorRatio来固定这个比例。但是需要注意的是，其中一个Survivor区会一直为空，因此比例越低浪费的堆空间将越高。

通常来说，当我们调用new指令时，它会在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，因此直接在这里边划空间是需要进行同步的，否则，将有可能出现两个对象共用一段内存的事故。

• 新生代：一旦新生代内存满了，就会开始对死掉的对象，进行所谓的小型垃圾回收（Minor GC）过程。一片新生代内存里，死掉的越多，回收过程就越快；至于那些还活着的对象，根据所设置的阈值，并最终老到进入老年代内存。

• 老年代：用来保存长时间存活的对象。通常，设置一个阈值，当达到该年龄时，年轻代对象会被移动到老年代。最终老年代也会被回收。这个事件为 Major GC。

• 永久代：JDK8 的时候已经被彻底移除，取而代之的是元空间。永久代包含JVM用于描述应用程序中类和方法的元数据。永久代是由JVM在运行时根据应用程序使用的类来填充的。此外，Java SE类库和方法也存储在这里。

Major GC 也会触发STW（Stop the World）。通常，Major GC会慢很多，因为它涉及到所有存活对象。所以，对于响应性的应用程序，应该尽量避免Major GC。还要注意，Major GC的STW的时长受年老代垃圾回收器类型的影响。

MinorGC过程

首先，将任何新对象分配给 eden 空间。两个 survivor 空间都是空的。

当 eden 空间填满时，会触发轻微的垃圾收集

引用的对象被移动到第一个 survivor 空间。清除 eden 空间时，将删除未引用的对象

在下一次Minor GC中，Eden区也会做同样的操作。删除未被引用的对象，并将被引用的对象移动到Survivor区。然而，这里，他们被移动到了第二个Survivor区（S1）。

此外，第一个Survivor区（S0）中，在上一次Minor GC幸存的对象，会增加年龄，并被移动到S1中。待所有幸存对象都被移动到S1后，S0和Eden区都会被清空。注意，Survivor区中有了不同年龄的对象。

在下一次Minor GC中，会重复同样的操作。不过，这一次Survivor区会交换。被引用的对象移动到S0,。幸存的对象增加年龄。Eden区和S1被清空。

此幻灯片演示了 promotion。在较小的GC之后，当老化的物体达到一定的年龄阈值（在该示例中为8）时，它们从年轻一代晋升到老一代。

随着较小的GC持续发生，物体将继续被推广到老一代空间。

所以这几乎涵盖了年轻一代的整个过程。最终，将主要对老一代进行GC，清理并最终压缩该空间。

知识拓展

为什么需要Survivor区

Survivor 的存在意义就是减少被送到老年代的对象，进而减少 Major GC 的发生

Survivor为什么设置为两个

如果 Survivor 区再细分下去，每一块的空间就会比较小，容易导致 Survivor 区满，两块 Survivor 区可能是经过权衡之后的最佳方案

老年代占据着 2/3 的堆内存空间，只有在 Major GC 的时候才会进行清理，每次 GC 都会触发“Stop-The-World”。内存越大，STW 的时间也越长，所以内存也不仅仅是越大就越好。在内存担保机制下，无法安置的对象会直接进到老年代，以下几种情况也会进入老年代

• 大对象，指需要大量连续内存空间的对象，这部分对象不管是不是“朝生夕死”，都会直接进到老年代。这样做主要是为了避免在 Eden 区及 2 个 Survivor 区之间发生大量的内存复制。

• 长期存活对象，虚拟机给每个对象定义了一个对象年龄（Age）计数器。正常情况下对象会不断的在 Survivor 的 From 区与 To 区之间移动，对象在 Survivor 区中每经历一次 Minor GC，年龄就增加 1 岁。当年龄增加到 15 岁时，这时候就会被转移到老年代。当然，这里的 15，JVM 也支持进行特殊设置。

• 动态对象年龄，虚拟机并不重视要求对象年龄必须到 15 岁，才会放入老年区，如果 Survivor 空间中相同年龄所有对象大小的总合大于 Survivor 空间的一半，年龄大于等于该年龄的对象就可以直接进去老年区，无需等你“成年”。

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