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JVM垃圾回收详解

article 2024/11/7 19:59:20

前言

当需要排查各种内存溢出问题、当垃圾收集成为系统达到更高并发的瓶颈时，我们就需要对这些“自动化”的技术实施必要的监控和调节。

堆空间的基本结构

Java 的自动内存管理主要是针对对象内存的回收和对象内存的分配。同时，Java 自动内存管理最核心的功能是堆内存中对象的分配与回收。

Java 堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此也被称作 GC 堆（Garbage Collected Heap）。

从垃圾回收的角度来说，由于现在收集器基本都采用分代垃圾收集算法，所以 Java 堆被划分为了几个不同的区域，这样我们就可以根据各个区域的特点选择合适的垃圾收集算法。

在 JDK 7 版本及 JDK 7 版本之前，堆内存被通常分为下面三部分：

新生代内存(Young Generation)
老生代(Old Generation)
永久代(Permanent Generation)

下图所示的 Eden 区、两个 Survivor 区 S0 和 S1 都属于新生代，中间一层属于老年代，最下面一层属于永久代。

JDK 8 版本之后 PermGen(永久) 已被 Metaspace(元空间) 取代，元空间使用的是直接内存 。

内存分配和回收原则

对象优先在 Eden 区分配

大多数情况下，对象在新生代中 Eden 区分配。当 Eden 区没有足够空间进行分配时，虚拟机将发起一次 Minor GC。下面我们来进行实际测试一下。

测试代码：

public class GCTest {
  public static void main(String[] args) {
    byte[] allocation1, allocation2;
    allocation1 = new byte[30900*1024];
  }
}

添加的参数：-XX:+PrintGCDetails运行结果 (红色字体描述有误，应该是对应于 JDK1.7 的永久代)：

从上图我们可以看出 Eden 区内存几乎已经被分配完全（即使程序什么也不做，新生代也会使用 2000 多 k 内存）。

假如我们再为 allocation2 分配内存会出现什么情况呢？

allocation2 = new byte[900*1024];

给 allocation2 分配内存的时候 Eden 区内存几乎已经被分配完了

当 Eden 区没有足够空间进行分配时，虚拟机将发起一次 Minor GC。GC 期间虚拟机又发现 allocation1 无法存入 Survivor 空间，所以只好通过 分配担保机制 把新生代的对象提前转移到老年代中去，老年代上的空间足够存放 allocation1，所以不会出现 Full GC。执行 Minor GC 后，后面分配的对象如果能够存在 Eden 区的话，还是会在 Eden 区分配内存。可以执行如下代码验证：

public class GCTest {

  public static void main(String[] args) {
    byte[] allocation1, allocation2,allocation3,allocation4,allocation5;
    allocation1 = new byte[32000*1024];
    allocation2 = new byte[1000*1024];
    allocation3 = new byte[1000*1024];
    allocation4 = new byte[1000*1024];
    allocation5 = new byte[1000*1024];
  }
}

大对象直接进入老年代

大对象就是需要大量连续内存空间的对象（比如：字符串、数组）。

大对象直接进入老年代的行为是由虚拟机动态决定的，它与具体使用的垃圾回收器和相关参数有关。大对象直接进入老年代是一种优化策略，旨在避免将大对象放入新生代，从而减少新生代的垃圾回收频率和成本。

G1 垃圾回收器会根据 -XX:G1HeapRegionSize 参数设置的堆区域大小和 -XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent 参数设置的阈值，来决定哪些对象会直接进入老年代。
Parallel Scavenge 垃圾回收器中，默认情况下，并没有一个固定的阈值(XX:ThresholdTolerance是动态调整的)来决定何时直接在老年代分配大对象。而是由虚拟机根据当前的堆内存情况和历史数据动态决定。

长期存活的对象将进入老年代

既然虚拟机采用了分代收集的思想来管理内存，那么内存回收时就必须能识别哪些对象应放在新生代，哪些对象应放在老年代中。为了做到这一点，虚拟机给每个对象一个对象年龄（Age）计数器。

大部分情况，对象都会首先在 Eden 区域分配。如果对象在 Eden 出生并经过第一次 Minor GC 后仍然能够存活，并且能被 Survivor 容纳的话，将被移动到 Survivor 空间（s0 或者 s1）中，并将对象年龄设为 1(Eden 区->Survivor 区后对象的初始年龄变为 1)。

对象在 Survivor 中每熬过一次 MinorGC,年龄就增加 1 岁，当它的年龄增加到一定程度（默认为 15 岁），就会被晋升到老年代中。对象晋升到老年代的年龄阈值，可以通过参数 -XX:MaxTenuringThreshold 来设置。

修正（issue552）：“Hotspot 遍历所有对象时，按照年龄从小到大对其所占用的大小进行累积，当累积的某个年龄大小超过了 survivor 区的 50% 时（默认值是 50%，可以通过 -XX:TargetSurvivorRatio=percent 来设置，参见 issue1199 ），取这个年龄和 MaxTenuringThreshold 中更小的一个值，作为新的晋升年龄阈值”。

jdk8 官方文档引用：https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/tools/unix/java.html。

动态年龄计算的代码如下：

uint ageTable::compute_tenuring_threshold(size_t survivor_capacity) {
//survivor_capacity是survivor空间的大小
size_t desired_survivor_size = (size_t)((((double)survivor_capacity)*TargetSurvivorRatio)/100);
size_t total = 0;
uint age = 1;
while (age < table_size) {
//sizes数组是每个年龄段对象大小
total += sizes[age];
if (total > desired_survivor_size) {
break;
}
age++;
}
uint result = age < MaxTenuringThreshold ? age : MaxTenuringThreshold;
...
}

额外补充说明(issue672)：关于默认的晋升年龄是 15，这个说法的来源大部分都是《深入理解 Java 虚拟机》这本书。
如果你去 Oracle 的官网阅读相关的虚拟机参数，你会发现-XX:MaxTenuringThreshold=threshold这里有个说明

Sets the maximum tenuring threshold for use in adaptive GC sizing. The largest value is 15. The default value is 15 for the parallel (throughput) collector, and 6 for the CMS collector.默认晋升年龄并不都是 15，这个是要区分垃圾收集器的，CMS 就是 6.

主要进行 gc 的区域

周志明先生在《深入理解 Java 虚拟机》第二版中 P92 如是写道：

~~“老年代 GC（Major GC/Full GC），指发生在老年代的 GC……”~~

上面的说法已经在《深入理解 Java 虚拟机》第三版中被改正过来了。感谢 R 大的回答：

总结：

针对 HotSpot VM 的实现，它里面的 GC 其实准确分类只有两大种：

部分收集 (Partial GC)：

新生代收集（Minor GC / Young GC）：只对新生代进行垃圾收集；
老年代收集（Major GC / Old GC）：只对老年代进行垃圾收集。需要注意的是 Major GC 在有的语境中也用于指代整堆收集；
混合收集（Mixed GC）：对整个新生代和部分老年代进行垃圾收集。

整堆收集 (Full GC)：收集整个 Java 堆和方法区。

空间分配担保

空间分配担保是为了确保在 Minor GC 之前老年代本身还有容纳新生代所有对象的剩余空间。

《深入理解 Java 虚拟机》第三章对于空间分配担保的描述如下：

JDK 6 Update 24 之前，在发生 Minor GC 之前，虚拟机必须先检查老年代最大可用的连续空间是否大于新生代所有对象总空间，如果这个条件成立，那这一次 Minor GC 可以确保是安全的。如果不成立，则虚拟机会先查看 -XX:HandlePromotionFailure 参数的设置值是否允许担保失败(Handle Promotion Failure);如果允许，那会继续检查老年代最大可用的连续空间是否大于历次晋升到老年代对象的平均大小，如果大于，将尝试进行一次 Minor GC，尽管这次 Minor GC 是有风险的;如果小于，或者 -XX: HandlePromotionFailure 设置不允许冒险，那这时就要改为进行一次 Full GC。

JDK 6 Update 24 之后的规则变为只要老年代的连续空间大于新生代对象总大小或者历次晋升的平均大小，就会进行 Minor GC，否则将进行 Full GC。

死亡对象判断方法

堆中几乎放着所有的对象实例，对堆垃圾回收前的第一步就是要判断哪些对象已经死亡（即不能再被任何途径使用的对象）。

引用计数法

给对象中添加一个引用计数器：

每当有一个地方引用它，计数器就加 1；
当引用失效，计数器就减 1；
任何时候计数器为 0 的对象就是不可能再被使用的。

这个方法实现简单，效率高，但是目前主流的虚拟机中并没有选择这个算法来管理内存，其最主要的原因是它很难解决对象之间循环引用的问题。

所谓对象之间的相互引用问题，如下面代码所示：除了对象 objA 和 objB 相互引用着对方之外，这两个对象之间再无任何引用。但是他们因为互相引用对方，导致它们的引用计数器都不为 0，于是引用计数算法无法通知 GC 回收器回收他们。

public class ReferenceCountingGc {
    Object instance = null;
    public static void main(String[] args) {
        ReferenceCountingGc objA = new ReferenceCountingGc();
        ReferenceCountingGc objB = new ReferenceCountingGc();
        objA.instance = objB;
        objB.instance = objA;
        objA = null;
        objB = null;
    }
}

可达性分析算法

这个算法的基本思想就是通过一系列的称为 “GC Roots” 的对象作为起点，从这些节点开始向下搜索，节点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的话，则证明此对象是不可用的，需要被回收。

下图中的 Object 6 ~ Object 10 之间虽有引用关系，但它们到 GC Roots 不可达，因此为需要被回收的对象。

哪些对象可以作为 GC Roots 呢？

虚拟机栈(栈帧中的局部变量表)中引用的对象
本地方法栈(Native 方法)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
所有被同步锁持有的对象
JNI（Java Native Interface）引用的对象

对象可以被回收，就代表一定会被回收吗？

即使在可达性分析法中不可达的对象，也并非是“非死不可”的，这时候它们暂时处于“缓刑阶段”，要真正宣告一个对象死亡，至少要经历两次标记过程；可达性分析法中不可达的对象被第一次标记并且进行一次筛选，筛选的条件是此对象是否有必要执行 finalize 方法。当对象没有覆盖 finalize 方法，或 finalize 方法已经被虚拟机调用过时，虚拟机将这两种情况视为没有必要执行。

被判定为需要执行的对象将会被放在一个队列中进行第二次标记，除非这个对象与引用链上的任何一个对象建立关联，否则就会被真的回收。

Object 类中的 finalize 方法一直被认为是一个糟糕的设计，成为了 Java 语言的负担，影响了 Java 语言的安全和 GC 的性能。JDK9 版本及后续版本中各个类中的 finalize 方法会被逐渐弃用移除。忘掉它的存在吧！

参考：

JEP 421: Deprecate Finalization for Removal
是时候忘掉 finalize 方法了

引用类型总结

无论是通过引用计数法判断对象引用数量，还是通过可达性分析法判断对象的引用链是否可达，判定对象的存活都与“引用”有关。

JDK1.2 之前，Java 中引用的定义很传统：如果 reference 类型的数据存储的数值代表的是另一块内存的起始地址，就称这块内存代表一个引用。

JDK1.2 以后，Java 对引用的概念进行了扩充，将引用分为强引用、软引用、弱引用、虚引用四种（引用强度逐渐减弱）

1．强引用（StrongReference）

以前我们使用的大部分引用实际上都是强引用，这是使用最普遍的引用。如果一个对象具有强引用，那就类似于必不可少的生活用品，垃圾回收器绝不会回收它。当内存空间不足，Java 虚拟机宁愿抛出 OutOfMemoryError 错误，使程序异常终止，也不会靠随意回收具有强引用的对象来解决内存不足问题。

2．软引用（SoftReference）

如果一个对象只具有软引用，那就类似于可有可无的生活用品。如果内存空间足够，垃圾回收器就不会回收它，如果内存空间不足了，就会回收这些对象的内存。只要垃圾回收器没有回收它，该对象就可以被程序使用。软引用可用来实现内存敏感的高速缓存。

软引用可以和一个引用队列（ReferenceQueue）联合使用，如果软引用所引用的对象被垃圾回收，JAVA 虚拟机就会把这个软引用加入到与之关联的引用队列中。

3．弱引用（WeakReference）

如果一个对象只具有弱引用，那就类似于可有可无的生活用品。弱引用与软引用的区别在于：只具有弱引用的对象拥有更短暂的生命周期。在垃圾回收器线程扫描它所管辖的内存区域的过程中，一旦发现了只具有弱引用的对象，不管当前内存空间足够与否，都会回收它的内存。不过，由于垃圾回收器是一个优先级很低的线程，因此不一定会很快发现那些只具有弱引用的对象。

弱引用可以和一个引用队列（ReferenceQueue）联合使用，如果弱引用所引用的对象被垃圾回收，Java 虚拟机就会把这个弱引用加入到与之关联的引用队列中。

4．虚引用（PhantomReference）

"虚引用"顾名思义，就是形同虚设，与其他几种引用都不同，虚引用并不会决定对象的生命周期。如果一个对象仅持有虚引用，那么它就和没有任何引用一样，在任何时候都可能被垃圾回收。

虚引用主要用来跟踪对象被垃圾回收的活动。

虚引用与软引用和弱引用的一个区别在于： 虚引用必须和引用队列（ReferenceQueue）联合使用。当垃圾回收器准备回收一个对象时，如果发现它还有虚引用，就会在回收对象的内存之前，把这个虚引用加入到与之关联的引用队列中。程序可以通过判断引用队列中是否已经加入了虚引用，来了解被引用的对象是否将要被垃圾回收。程序如果发现某个虚引用已经被加入到引用队列，那么就可以在所引用的对象的内存被回收之前采取必要的行动。

特别注意，在程序设计中一般很少使用弱引用与虚引用，使用软引用的情况较多，这是因为软引用可以加速 JVM 对垃圾内存的回收速度，可以维护系统的运行安全，防止内存溢出（OutOfMemory）等问题的产生。

如何判断一个常量是废弃常量？

运行时常量池主要回收的是废弃的常量。那么，我们如何判断一个常量是废弃常量呢？

~~JDK1.7 及之后版本的 JVM 已经将运行时常量池从方法区中移了出来，在 Java 堆（Heap）中开辟了一块区域存放运行时常量池。~~

🐛 修正（参见：issue747，reference）：

JDK1.7 之前运行时常量池逻辑包含字符串常量池存放在方法区, 此时 hotspot 虚拟机对方法区的实现为永久代
JDK1.7 字符串常量池被从方法区拿到了堆中, 这里没有提到运行时常量池,也就是说字符串常量池被单独拿到堆,运行时常量池剩下的东西还在方法区, 也就是 hotspot 中的永久代。
JDK1.8 hotspot 移除了永久代用元空间(Metaspace)取而代之, 这时候字符串常量池还在堆, 运行时常量池还在方法区, 只不过方法区的实现从永久代变成了元空间(Metaspace)

假如在字符串常量池中存在字符串 "abc"，如果当前没有任何 String 对象引用该字符串常量的话，就说明常量 "abc" 就是废弃常量，如果这时发生内存回收的话而且有必要的话，"abc" 就会被系统清理出常量池了。