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,更新于 2024-10-29T22:15:38Z+08:00 by   c73aa5b

[Java] GC(Garbage Collection)

版权声明 - CC BY-NC-SA 4.0

GC要解决的三个问题:

  1. 哪些对象需要回收?
  2. 何时回收?
  3. 如何回收?

1 哪些对象需要回收?

Java的内存区域中,Java线程栈、本地方法栈和程序计数器因为是线程私有的,随着线程的执行自动的释放,所以这部分是是无需回收的。目前需要回收的主要是两个区域:元数据区。又因为元数据区域存放的是class的信息和常量以及一些静态变量等数据,这部分的数据的生命周期通常是和Java进程保持一致的,所以回收的意义不大。故而只剩下一个区域

那么在回收之前,首先要做的事情就是识别出来堆中的哪些对象是垃圾对象,目前主要又两种方式。

1.1 引用计数法

开辟一块额外的内存区域,用来记录对象被引用的次数(新增一个引用就+1,否则就-1)。其有点事原理非常简单,但是有一个致命的问题:无法解决循环引用的问题。比如A引用了B,B也引用了A,但是再无其他对象引用A和B了。但是A和B的引用次数都还是1。

1.2 可达性分析

目前主流的一些包含GC的语言都是采用可达性分析的方法来判断对象是否是垃圾对象。算法的核心是根据GC Root 对象递归检查,检查到的对象都不用回收,否则就是垃圾对象。

在Java中,可作为GC Root的对象主要来自于:

  1. java线程栈中的栈帧中的局部变量表中的引用。
  2. 元数据区中的常量引用的对象,静态变量引用的对象。
  3. JNI引用的对象。
  4. JVM内部的引用:比如对象的getClass()获得到的class对象。以及ClassLoader等。
  5. 所有被synchronized持有的对象。

1.3 四种引用类型

在Java 1.2之前的GC工作中,引用只有两种状态,被引用和未被引用。在一些场景下明显不够灵活。所以在1.2中堆对引用进行了扩充,分为了如下四种类型。

1.3.1 Strong Reference

默认的引用就是Strong Reference强引用。

A.b = new B();

在任何情况下,假设A是被GC root对象持有的引用,只要存在A对B的强引用,就那么A和B都不会被回收。

1.3.2 Soft Reference

软引用SoftReference<T>1比Strong弱一些,在内存足够的时候,这部分对象也不会被回收,只有当内存不够时,就会对此部分对象进行回收。

SoftReference<A> softReferenceField = new SoftReference<A>(new A());
A a = softReferenceField.get();

1.3.3 Weak Reference

弱引用WeakReference<T>2比Soft更弱一些。当除了WeakReference再没其他的引用时,只要发生GC,那么就会被回收。

WeakReference<A> weakReferenceField = new WeakReference<A>(new A());
A a = weakReferenceField.get();

1.3.4 Phantom Reference

虚引用PhantomReference<T>3比时最弱的一中引用关系,完全不会对对象的生存周期产生任何影响,也不能通过它获得一个对象。它的目的仅仅时可以让对象被回收时得到一个通知。

PhantomReference<A> phantomReferenceField = new PhantomReference<A>(new A());
// 永远是null
A a = phantomReferenceField.get();

2 何时回收?

到达安全点。

3 如何回收?

3.1 垃圾收集算法

3.1 标记-清理

根据可达性分析找到垃圾对象,就地清理对象。

缺点:造成内存碎片。

3.2 标记-复制

把内存等分为两块A和B,把非垃圾对象整体复制到B,然后整体回收A,如此往复。

缺点:内存浪费严重。

不过经过java团队的研究发现,98%的对象都是朝生夕死的,所以把内存划分成了8:1:1。其中8是新生代,优先分配到次。
1:1的是两个交换区AB,一次只使用其中的一个。这样可以兼顾空间和性能。

3.3 标记-整理

根据可达性分析找到垃圾对象,按照整理移动的方式避免标记-清理造成的内存碎片。用在老年代上。

3.4 分代回收

分为新、老代,分别选择合适的算法。
新生代使用复制,老年代使用整理。

G1不再明确区分老年代和新生代,而是把内存化分成很多等分的区块,G1动态的调整它的用途。
通过追踪这些区块的信息,然后根据设定的垃圾回收时间,动态的选择回收其中的一部分,而不是之前的那种全部回收。

3.2 垃圾收集器

STW: Stop The World.

  1. Serial: 新生代。标记-复制。单线程。
  2. Serial Old :老年代。标记-整理。单线程。
  3. ParNew/: 新生代。标记-复制。多线程版的Serial。
  4. Parallel Scavenge: 新生代。标记-复制。多线程。关注于吞吐量,即用户代码的运行时间/用户代码的运行时间+GC的时间。
  5. Parallel Old:老年代。标记-整理。Parallel Scavenge的老年代版本。
  6. CMS : 老年代。标记-清理。关注于最短回收停顿时间。
    1. 初始标记(CMS initial mark): STW。仅记录GC root直接关联的对象。
    2. 并发标记(CMS concurrent mark): 耗时最慢的缓解不SWT。在1的基础上遍历整个对象图,和用户代码并行运行。
    3. 重新标记(CMS remark): SWT。修正并发标记阶段产生变动的一部分对象。
    4. 并发清除(CMS concurrent sweep)。仅清理,并不需要移动对象,也和用户代码并行。
  7. G1(Garbage First): 新老年代。混合GC。基于把内存分为Region小块,局部收集(
    追踪每个Region的垃圾的回收价值大小,然后依据能回收的空间和所消耗的时间比,选择性的优先回收某一部分Region)。
    每一个区块都可以是新生代、交换区或者老年代。动态调整。还有一个Humongous区域,大对象专属。
    1. 初始标记(Initial Marking): STW。仅记录GC root直接关联的对象。并且修改TAMS指针的值,让下阶段用户线程运行时,能正确的在可用的Region中分配对象。
    2. 并发标记(Concurrent Marking): 耗时最慢的缓解不SWT。和用户代码并行运行。在1的基础上遍历整个对象图,然后重新处理SATB记录下的在并发时有引用变动的对象。
    3. 最总标记(Final Marking): SWT。处理2遗留的少量SATB记录。
    4. 筛选回收(Live Data Counting And Evacuation)。更新Region的统计数据,对回收价值和成本排序,根据设置的期望停顿时间制定回收计划。
      然后选择任意个Region中的存活对象复制到空的Region中,再清理掉旧的Region的全部空间(SWT)。

参考资料

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