深入理解Java虚拟机之垃圾收集一

Posted 2020-11-11 leetsmon

“生存还是死亡”

如何来判定对象是否存活？针对这个问题书中给出了两种算法，分别是引用计数算法和可达性分析算法

引用计数算法

该算法的思路简单并且易于实现。我们给对象中添加一个引用计数器，当有一个地方引用它时，引用计数器就加一，当引用失效时，计数器减一，当计数器为0时就说明该对象不可能再被引用。
客观的评价，该算法判定效率很高，在很多情况下都是一种不错的算法，但是，至少主流的Java虚拟机并没有采用采用这种算法。原因是该算法无法解决对象之间的循环引用问题。
什么是循环引用呢？笔者认为就是对象之间的嵌套的引用，将对象B赋值给对象A中的字段instance，再将对象A赋值给对象B中的字段instance，这样就形成了嵌套的互相的引用关系，则引用计数器永远也不会为0，根据算法规定，两个对象自然也就不会被回收，但事实并不是这样，虚拟机成功的回收了两个对象（具体可以参考《深入理解Java虚拟机》63页的代码）。

可达性分析算法

从图中可以直观的看出，判断对象是否存活可以检查该对象是否与GC Roots关联，或者说是从GC Roots出发，到对象是否存在一条路径，该路径也被称作引用链（Reference Chain）。如果可达，那么该对象可引用，如果对象不可达，那么该对象不可引用。
在Java语言中，可作为GC Roots的对象包括以下几种：

1. 虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象
2. 方法区中类静态属性引用的对象
3. 方法区中常量引用的对象
4. 本地方法栈中JNI（即一般说的Native方法）引用的对象

再探引用：

Java中的引用关系原本只有两种，引用和未被引用，这种定义是狭隘的，当我们需要描述像”鸡肋“这样的对象时，这种描述显得无能为力，因此我们引入了其他几种引用：

1. 强引用（只要强引用依然存在，垃圾收集器就不会回收掉被引用的对象）
2. 软引用（在系统将要发生内存溢出异常之前，将会把这些对象列进回收范围之中进行第二次回收）
3. 弱引用（弱引用关联的对象只能生存到下一次垃圾收集发生之前）
4. 虚引用（一个对象是否由虚引用的存在，完全不会对其生存时间构成影响，也无法通过虚引用来取得一个对象实例）

对象的死亡

在可达性分析算法中不可达，或者没有引用链的对象并不会立即死亡，要正式宣告对象的死亡，需要两个阶段：
第一个阶段，在可达性分析算法中被发现没有引用链，那么该对象将会被第一次标记并且进行一次筛选。下面我们来看一下筛选的过程，筛选的条件是该对象是否有必要执行finalize()方法。
当对象没有覆盖finalize()方法或者finalize()方法已被虚拟机调用过，那么，虚拟机将这两种情况视为”没有必要执行“。
当对象被判定为有必要执行finalize()方法，那么该对象将会被放置在一个叫做Queue的队列之中，并在稍后由一个虚拟机自动建立的、低优先级的Finalizer线程去执行（执行并不以为着虚拟机会等待它的结束），接着（第二个阶段），GC将会对F-Queue队列中的对象进行第二次小规模的标记，如果对象在finalize()方法中成功的进行引用（和引用链上的任何一个对象建立关联），那么该对象将会被移出”即将回收“集合，反之，该对象将会被GC回收。

建议读者参考周志明老师的《深入理解java虚拟机》67页代码

回收方法区

方法区（永久代）的垃圾收集主要回收两部分内容：废弃常量和无用的类
我们先以一个实例来考察一下废弃常量的回收过程：

假如一个字符串"Hello World!"已经进入了常量池中，但是当前系统没有任何一个String对象是叫做"Hello World!"的，换句话说，也就是没有一个String对象引用常量池中的”Hello World!"常量，也没有其他地方引用这个字面量，那么这时如果发生内存回收，这个常量就会被系统清理出常量池。

下面我们来看一下如何判定一个类是否是“无用的类”

1. 该类所有的实例已经被回收，也就是Java堆中不存在该类的任何实例
2. 加载该类的ClassLoader已经被回收
3. 该类对应的java.lang.class对象没有任何地方被引用，无法在任何地方通过反射访问该类的方法

常量池中的其他类（接口）、方法、字段的符号引用也与此类似

虚拟机可以对满足上述三个条件的无用类进行回收，但并不是和对象一样，不使用了就必然会回收，是否对类进行回收，虚拟机给出了相关的参数进行调节

垃圾收集算法

字不重要，主要看图↑

上图演示了标记-清除算法
顾名思义，标记-清除算法分为两个阶段：标记阶段和清除阶段
标记阶段前文已经介绍过，读者可以查看上文；清除阶段即清除已被标记了的对象
标记-清除算法的缺点主要由两个，第一：该算法标记和清除的两个过程的效率都不高；第二：该算法清除了可回收对象后会产生不连续的内存空间，在分配大的连续的对象时，就需要提前触发一次垃圾收集动作。

字不重要，主要看图↑

上图演示了复制算法
复制算法的基本思想是将内存空间分为大小相同的两部分，当前这半个内存用完时，将其中存活的对象复制到另一半内存中，然后一次性清理掉当前这一半内存空间。
该算法完美的规避了标记-清除算法的缺点，同时也浪费了大量的内存空间
补充：
HotSpot虚拟机是将内存分为一块较大的Eden空间和两块较小的Survivor空间，每次使用Eden空间和其中一块Survivor，当回收时，将Eden和Survivor中还存活着的对象一次性复制到另外一块Survivor空间，最后清理掉Eden和Survivor空间。HotSpot虚拟机采用分配的比例为8:1，也就是每次有效使用的空间为90%
当Survivor空间不足呢？虚拟机是如何处理的？这里会涉及到一个分配担保的问题（类似于银行贷款的数学模型）,我们在下一篇博文中会详细介绍。

字不重要，主要看图↑

上图演示了标记-整理算法
标记-整理算法的提出和老年代有关。整个算法的执行过程和标记-清除算法一样，但是后续的步骤不是直接对已标记的对象进行清理，而是让所有存活的对象都向一边移动，接着直接清理掉端边界以外的内存。

分代收集算法

该算法汲取了复制算法和标记-整理算法的长处。我们将Java堆分为新生代和老年代，这样就可以根据各个年代的特点来选择算法：

新生代选择复制算法，老年代选择标记-整理算法。

HotSpot虚拟机如何发起内存回收？这个问题以后我会专门发一篇博文来进行简单的介绍，这里不详细介绍!

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