JAVA虚拟机学习之GC算法深度解析

原标题:JAVA虚拟机学习之GC算法深度解析

垃圾收集 Garbage Collection 通常被称为“GC”,它诞生于1960年 MIT 的 Lisp 语言,经过半个多世纪,目前已经十分成熟了。

jvm 中,程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈都是随线程而生随线程而灭,栈帧随着方法的进入和退出做入栈和出栈操作,实现了自动的内存清理,因此,我们的内存垃圾回收主要集中于 java 堆和方法区中,在程序运行期间,这部分内存的分配和使用都是动态的.

>>>> GC:Garbage Collection 垃圾收集

GC:Garbage Collection 垃圾收集。这里所谓的垃圾指的是在系统运行过程当中所产生的一些无用的对象,这些对象占据着一定的内存空间,如果长期不被释放,可能导致OOM

在C/C++里是由程序猿自己去申请、管理和释放内存空间,因此没有GC的概念。而在Java中,后台专门有一个专门用于垃圾回收的线程来进行监控、扫描,自动将一些无用的内存进行释放,这就是垃圾收集的一个基本思想,目的在于防止由程序猿引入的人为的内存泄露。

>>>>1960年 Lisp使用了GC

事实上,GC的历史比Java久远,1960年诞生于MIT的Lisp是第一门真正使用内存动态分配和垃圾收集技术的语言。当Lisp还在胚胎时期时,人们就在思考GC需要完成的3件事情:

哪些内存需要回收?
什么时候回收?
如何回收?

>>>>Java中,GC的对象是Java堆和方法区(即永久区)

内存区域中的程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈这3个区域随着线程而生,线程而灭;栈中的栈帧随着方法的进入和退出而有条不紊地执行着出栈和入栈的操作,每个栈帧中分配多少内存基本是在类结构确定下来时就已知的。在这几个区域不需要过多考虑回收的问题,因为方法结束或者线程结束时,内存自然就跟着回收了

Java堆和方法区则不同,一个接口中的多个实现类需要的内存可能不同,一个方法中的多个分支需要的内存也可能不一样,我们只有在程序处于运行期间时才能知道会创建哪些对象,这部分内存的分配和回收都是动态的,GC关注的也是这部分内存,后面的文章中如果涉及到“内存”分配与回收也仅指着一部分内存。

引用计数算法

老牌垃圾回收算法。无法处理循环引用,没有被Java采纳

引用计数算法的概念:

给对象中添加一个引用计数器,每当有一个地方引用它时,计数器值就加1;当引用失效时,计数器值就减1;任何时刻计数器为0的对象就是不可能再被使用的。

使用者举例:

引用计数算法的实现简单,判定效率也高,大部分情况下是一个不错的算法。很多地方应用到它。例如:

微软公司的COM技术:Computer Object Model
使用Action3的FlashPlayer
Python

但是,主流的java虚拟机并没有选用引用计数算法来管理内存,其中最主要的原因是:它很难解决对象之间相互循环引用的问题

引用计数算法的问题:

  • 引用和去引用伴随加法和减法,影响性能
  • 致命的缺陷:对于循环引用的对象无法进行回收

上面的3个图中,对于最右边的那张图而言:循环引用的计数器都不为0,但是他们对于根对象都已经不可达了,但是无法释放。

循环引用的代码举例:

public class Object {

Object field = null;

public static void main(String[] args) {

Thread thread = new Thread(new Runnable() {

public void run() {

Object objectA = new Object();

Object objectB = new Object();//位置1

objectA.field = objectB;

objectB.field = objectA;//位置2

//to do something

objectA = null;

objectB = null;//位置3

}

});

thread.start();

while (true);

}

}

上方代码看起来有点刻意为之,但其实在实际编程过程当中,是经常出现的,比如两个一对一关系的数据库对象,各自保持着对方的引用。最后一个无限循环只是为了保持JVM不退出,没什么实际意义。

代码解释:

代码中标注了1、2、3三个数字,当位置1的语句执行完以后,两个对象的引用计数全部为1。当位置2的语句执行完以后,两个对象的引用计数就全部变成了2。当位置3的语句执行完以后,也就是将二者全部归为空值以后,二者的引用计数仍然为1。根据引用计数算法的回收规则,引用计数没有归0的时候是不会被回收的。

对于我们现在使用的GC来说,当thread线程运行结束后,会将objectA和objectB全部作为待回收的对象。而如果我们的GC采用上面所说的引用计数算法,则这两个对象永远不会被回收,即便我们在使用后显示的将对象归为空值也毫无作用。

根搜索算法

根搜索算法的概念:

由于引用计数算法的缺陷,所以JVM一般会采用一种新的算法,叫做根搜索算法。它的处理方式就是,设立若干种根对象,当任何一个根对象到某一个对象均不可达时,则认为这个对象是可以被回收的

如上图所示,ObjectD和ObjectE是互相关联的,但是由于GC roots到这两个对象不可达,所以最终D和E还是会被当做GC的对象,上图若是采用引用计数法,则A-E五个对象都不会被回收。

可达性分析:

我们刚刚提到,设立若干种根对象,当任何一个根对象到某一个对象均不可达时,则认为这个对象是可以被回收的。我们在后面介绍标记-清理算法/标记整理算法时,也会一直强调从根节点开始,对所有可达对象做一次标记,那什么叫做可达呢?这里解释如下:

从根(GC Roots)的对象作为起始点,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(用图论的概念来讲,就是从GC Roots到这个对象不可达)时,则证明此对象是不可用的。

根(GC Roots):

说到GC roots(GC根),在JAVA语言中,可以当做GC roots的对象有以下几种:

1、栈(栈帧中的本地变量表)中引用的对象。
2、方法区中的静态成员。
3、方法区中的常量引用的对象(全局变量)
4、本地方法栈中JNI(一般说的Native方法)引用的对象。

注:第一和第四种都是指的方法的本地变量表,第二种表达的意思比较清晰,第三种主要指的是声明为final的常量值。

在根搜索算法的基础上,现代虚拟机的实现当中,垃圾搜集的算法主要有三种,分别是标记-清除算法、复制算法、标记-整理算法。这三种算法都扩充了根搜索算法,不过它们理解起来还是非常好理解的。

标记-清除算法

标记清除算法的概念:

标记-清除算法是现代垃圾回收算法的思想基础。标记-清除算法将垃圾回收分为两个阶段:标记阶段和清除阶段。一种可行的实现是,在标记阶段,首先通过根节点,标记所有从根节点开始的可达对象。因此,未被标记的对象就是未被引用的垃圾对象;然后,在清除阶段,清除所有未被标记的对象。

标记-清除算法详解:

它的做法是当堆中的有效内存空间(available memory)被耗尽的时候,就会停止整个程序(也被成为stop the world),然后进行两项工作,第一项则是标记,第二项则是清除。

  • 标记:标记的过程其实就是,遍历所有的GC Roots,然后将所有GC Roots可达的对象标记为存活的对象。
  • 清除:清除的过程将遍历堆中所有的对象,将没有标记的对象全部清除掉。

就是当程序运行期间,若可以使用的内存被耗尽的时候,GC线程就会被触发并将程序暂停,随后将依旧存活的对象标记一遍,最终再将堆中所有没被标记的对象全部清除掉,接下来便让程序恢复运行。

来看下面这张图:

上图代表的是程序运行期间所有对象的状态,它们的标志位全部是0(也就是未标记,以下默认0就是未标记,1为已标记),假设这会儿有效内存空间耗尽了,JVM将会停止应用程序的运行并开启GC线程,然后开始进行标记工作,按照根搜索算法,标记完以后,对象的状态如下图:

上图中可以看到,按照根搜索算法,所有从root对象可达的对象就被标记为了存活的对象,此时已经完成了第一阶段标记。接下来,就要执行第二阶段清除了,那么清除完以后,剩下的对象以及对象的状态如下图所示:

上图可以看到,没有被标记的对象将会回收清除掉,而被标记的对象将会留下,并且会将标记位重新归0。接下来就不用说了,唤醒停止的程序线程,让程序继续运行即可。

疑问:为什么非要停止程序的运行呢?

答:

这个其实也不难理解,假设我们的程序与GC线程是一起运行的,各位试想这样一种场景。

假设我们刚标记完图中最右边的那个对象,暂且记为A,结果此时在程序当中又new了一个新对象B,且A对象可以到达B对象。但是由于此时A对象已经标记结束,B对象此时的标记位依然是0,因为它错过了标记阶段。因此当接下来轮到清除阶段的时候,新对象B将会被苦逼的清除掉。如此一来,不难想象结果,GC线程将会导致程序无法正常工作。

上面的结果当然令人无法接受,我们刚new了一个对象,结果经过一次GC,忽然变成null了,这还怎么玩?

标记-清除算法的缺点:

(1)首先,它的缺点就是效率比较低(递归与全堆对象遍历),导致stop the world的时间比较长,尤其对于交互式的应用程序来说简直是无法接受。试想一下,如果你玩一个网站,这个网站一个小时就挂五分钟,你还玩吗?

(2)第二点主要的缺点,则是这种方式清理出来的空闲内存是不连续的,这点不难理解,我们的死亡对象都是随即的出现在内存的各个角落的,现在把它们清除之后,内存的布局自然会乱七八糟。而为了应付这一点,JVM就不得不维持一个内存的空闲列表,这又是一种开销。而且在分配数组对象的时候,寻找连续的内存空间会不太好找。

Jacky说

Gc算法在学习JVM的时候是必不可少的,同学们不要懈怠它哦。

同时,也希望学习Java还有其他语言的小伙伴们一直保持一颗热情的心。

最后送大家一句:

Nothing great was ever achieved without enthusiasm.

——爱默生

本文参考资料:

Java GC算法 垃圾收集器

Java虚拟机详解04----GC算法和种类

实训邦官网

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