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Java的内存管理机制之（垃圾回收（GC）原理）

article 2024/11/17 23:30:25

垃圾回收（GC，Garbage Collection）是Java虚拟机（JVM）中一项核心的内存管理机制，用于自动管理和回收Java堆内存中不再使用的对象，从而防止内存泄漏，提高内存利用率。

垃圾回收的基本原理

垃圾回收的基本思想是将内存中不再被使用的对象进行回收，释放其占用的内存空间。JVM通过一系列的算法和策略来判断哪些对象是可以被回收的，然后执行回收操作。

垃圾回收的判断方法

Java采用的是基于“可达性分析”的垃圾回收算法，而不是引用计数法。

引用计数法：
- 原理：为每个对象维护一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器就加1；当引用失效时，计数器就减1。当计数器为0时，表示该对象不再被引用，可以被回收。
- 缺点：无法处理循环引用的问题。因此，主流的JVM并没有采用这种算法。
  引用计数法简介
  
  引用计数法是一种简单的垃圾回收算法，它通过跟踪每个对象被引用的次数来判断对象是否应该被回收。当一个对象被创建时，引用计数器的值被设置为1；每当有一个新的引用指向该对象时，计数器的值就增加1；而当某个引用不再指向该对象时（比如引用被置为null或者指向了另一个对象），计数器的值就减少1。当计数器的值变为0时，表示该对象不再被任何引用所指向，因此可以被垃圾回收器回收。
可达性分析算法：
- 原理：从一组称为GC Roots的根对象开始，通过遍历对象之间的引用链，判断对象是否可以从GC Roots到达。如果对象可以通过引用链与GC Roots关联，则认为对象是存活的；否则，认为对象不再存活，可以被回收。
- GC Roots通常包括虚拟机栈中引用的对象、方法区中类静态属性引用的对象、方法区中常量引用的对象、本地方法栈中JNI引用的对象等。
  Java中的垃圾回收机制——可达性分析算法
  
  可达性分析算法的基本思想是通过一系列称为“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（即GC Roots到这个对象不可达）时，则证明此对象是不可用的，可以被回收。
  
  Java中常见的GC Roots包括：
  
  虚拟机栈（栈帧中的局部变量表）中引用的对象
  
  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
  
  本地方法栈中JNI（即一般说的Native方法）引用的对象

垃圾回收的算法

标记-清除算法：
- 分为标记和清除两个阶段。首先标记出所有存活的对象，然后清除所有未被标记的对象。
- 优点：速度快，不需要移动对象。
- 缺点：会产生内存碎片。
  标记阶段
  - 根集合识别：算法首先识别出所有的根对象（Root Objects）。在Java中，根对象通常包括：
    
    虚拟机栈（栈帧中的局部变量表）中引用的对象。
    
    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。
    
    本地方法栈中JNI（即一般说的Native方法）引用的对象。
  - 可达性分析：从根集合开始，通过引用链逐步遍历对象，所有能够从根集合通过引用链到达的对象都被认为是“存活”的。这一过程也被称为可达性分析。
  - 标记存活对象：在遍历过程中，所有被访问到的对象都会被标记为“存活”状态。这通常是通过修改对象的某个标志位来实现的。
    
    清除阶段
    - 回收内存：遍历堆中的所有对象，对于未被标记为“存活”的对象（即那些从根集合无法到达的对象），它们被认为是垃圾，JVM会回收它们所占用的内存空间。
    - 内存整理（可选）：在某些实现中，清除阶段后可能会进行内存整理，将存活的对象移动到堆的一端，以形成一个连续的内存空间，便于后续的内存分配。但请注意，标记-清除算法本身并不强制要求这一步。
标记-复制算法：
- 将可用内存按容量划分为大小相等的两块，每次只使用其中一块。当这块内存用完时，就将还存活的对象复制到另一块内存上，然后清空当前内存块。
- 优点：解决了内存碎片问题，实现简单。
- 缺点：需要两倍内存空间。
算法的执行过程：

暂停应用程序：在垃圾回收开始时，会暂停应用程序的执行，以进行垃圾回收的准备工作。这一过程也被称为“Stop-The-World”事件。

标记存活对象：垃圾回收器从根集合（如虚拟机栈、方法区中的静态属性等）开始，遍历所有的引用链，标记所有从根可达的对象为存活对象。

复制存活对象：将标记为存活的对象从来源空间复制到目标空间。这个过程中，只会复制存活的对象，而不会复制那些已经被回收的对象。

清理来源空间：复制完成后，来源空间中剩下的对象都是不再被使用的，可以被清理掉。此时，来源空间变成了空的，可以用于下一次的分配。

交换空间：在下一次垃圾回收时，目标空间会变成新的来源空间，而原来的来源空间则变成新的目标空间。这个过程交替进行，以确保内存的有效利用。

特点

简单高效：由于每次只处理一半的内存空间，因此理论上垃圾回收的最大暂停时间不会随着堆大小的增加而增加。
无内存碎片：由于每次都是从空的半空间开始分配对象，因此不会产生内存碎片。
内存利用率低：由于需要同时维护两个相等的内存空间，因此在实际应用中，内存的利用率会降低。这意味着如果有4G的内存，那么实际可用于应用程序的内存可能只有2G。
适用于短生存期的对象：由于每次都需要复制存活的对象，因此对于长生存期的对象来说，这种算法的效率并不高。因此，它更适合用于管理那些生命周期较短的对象。
标记-整理算法：
- 结合了标记-清除和标记-复制的优点。标记阶段与标记-清除算法相同，但在清除阶段，不是直接清除未标记的对象，而是让所有存活的对象都向一端移动，然后清理掉端边线以外的内存。
- 优点：解决了内存碎片问题，不需要额外内存空间。
- 缺点：效率相对较低。
标记阶段：

遍历堆中的所有对象，通过根集合（如栈帧中的局部变量表、静态变量等）开始，标记出所有从根集合可达（即存在引用链）的对象。

未被标记的对象被视为垃圾，即不可达对象，它们将在后续的GC过程中被清理。

整理（或压缩）阶段：

将所有存活的对象移动到堆的一端，确保它们是连续存储的。

清理掉存活对象之后的所有空间，即删除所有垃圾对象，并调整存活对象的引用，以反映它们在堆中的新位置。

这一步的目的是减少堆内存的碎片化，提高内存使用的效率。
三色标记算法：
- 一种优化标记过程的算法，将对象分为白色、灰色和黑色三种状态。通过初始标记、并发标记和重新标记三个阶段来标记对象，以减少STW（Stop The World）的时间。
  
  三色标记算法对象三种状态的转换过程
  
  三色标记算法中，对象被分为三种状态：白色、灰色和黑色。
  ‌白色‌表示对象尚未被扫描，‌即未被标记为存活对象。‌
  ‌灰色‌表示对象已经被扫描，‌但其引用的其他对象尚未被扫描。‌
  ‌黑色‌表示对象已经被扫描，‌并且其引用的其他对象也已经被扫描。‌
  
  转换过程如下：‌
  
  初始阶段，‌所有对象都被标记为白色。‌
  从根对象开始，‌递归地遍历对象图，‌将遇到的对象标记为灰色，‌并将其引用的对象添加到待扫描队列中。‌
  从待扫描队列中取出对象，‌将其标记为黑色，‌并将其引用的对象添加到待扫描队列中。‌
  重复上述过程，‌直到待扫描队列为空。‌
  结束后，‌所有未被标记为黑色的对象即为垃圾对象，‌可以被回收。‌‌
  
  三色标记算法使用场景
  
  三色标记算法在并发可达性分析中会被使用 。它是一种广泛应用于并发环境下的垃圾回收算法，‌用于确定一个对象是否可以被其他对象访问，‌从而判断其是否为垃圾对象并进行回收‌1。‌该算法通过将对象标记为白色、‌灰色和黑色三种不同的颜色来进行可达性分析。‌在并发环境下，‌由于线程间的共享数据和相互依赖，‌对象的引用关系可能会发生变化，‌因此需要使用三色标记算法来有效地处理这种动态变化的引用关系，‌以及解决可能出现的浮动垃圾问题‌1。‌通过这种算法，‌垃圾回收器可以更准确地判断对象的存活状态，‌并进行有效的垃圾回收。‌
  
  三色标记算法与其他垃圾回收算法的比较
  
  ‌三色标记算法与其他垃圾回收算法相比，‌具有独特的特点和适用场景‌。‌
  
  三色标记算法是一种可达性分析算法，‌它将对象分为白色、‌灰色和黑色三种，‌通过深度优先搜索进行标记和回收。‌与其他算法相比，‌三色标记算法在并发环境下具有优势，‌能有效处理动态变化的引用关系，‌并解决浮动垃圾问题‌12。‌
  
  相比之下，‌标记复制算法将内存分为两块，‌每次只使用一块，‌回收时复制存活对象到另一块。‌它适用于新生代，‌因为新生代对象存活率低，‌复制成本较低‌14。‌
  
  而标记清除和标记整理算法则更适用于老年代，‌因为它们能更好地处理存活率较高的对象，‌尽管它们的效率相对较低‌14。‌

垃圾回收的触发条件

1. 内存分配达到阈值

在Java等语言中，当堆内存中的空闲空间不足以满足新对象的分配需求时，垃圾回收器（GC）可能会被触发。这个阈值可能是固定的，也可能是根据运行时情况动态调整的。

2. 特定区域的内存满了

年轻代（Young Generation）满了：在JVM中，新创建的对象通常首先被分配到年轻代的Eden区。当Eden区满了时，会触发Minor GC（也称为Young GC），以回收不再被使用的对象并清理出空间。
老年代（Old Generation）满了：当老年代没有足够的空间容纳新的对象或年轻代中晋升的对象时，会触发Major GC（也称为Full GC），以回收整个堆中的垃圾对象。
元空间（Metaspace）满了（Java 8及以上版本）：元空间用于存储类的元数据。当元空间满了时，也会触发Full GC。