直击面试，聊聊 GC 机制

Posted 2021-03-22 goodandyxublog

前言

文章来源:https://studyidea.cn/

GC 中文直译垃圾回收，是一种回收内存空间避免内存泄漏的机制。当 JVM 内存紧张，通过执行 GC 有效回收内存，转而分配给新对象从而实现内存的再利用。 JVM GC 机制虽然无需开发主动参与，减轻不少工作量，但是某些情况下，自动 GC 将会导致系统性能下降，响应变慢，所以这就需要我们提前了解掌握 GC 机制。当面对这种情况时，才能从容不迫的解决问题。另外 GC 机制也是 Java 面试高频考题，了解掌握 GC 是一项必备技能。

学习 GC ，首先我们解决三个问题:

• 什么是垃圾
• 在哪里回收垃圾
• 怎么回收垃圾

什么是垃圾

我们先来看一段简单的代码。

上面代码通过将字符串对象转化成字节数组，然后写入本地文件。方法一旦开始执行，就将会在分配一定内存给新建的对象，然后将引用告诉了str， bytes 变量。等到方法执行完毕，方法内部局部变量紧接将就会被销毁。但是这样仅仅销毁了局部变量，却没有带走内存上这些实际的对象。这类不再起作用，没有被引用的对象，将其归类为垃圾。

在偌大的内存上存活着无数对象，GC 之前需要准确将这些对象标记出来，分为存活对象与垃圾对象。这个过程一旦少标记，那就只能等待下次 GC标记，再回收，这样将会影响 GC 效率。另外决不能错标记，将正常存活对象标记为垃圾。一旦回收正常存活的对象，可能就会引起程序各种崩溃。

目前有两种算法可以用来标记：

• 引用计数法
• 可达性分析法

引用计数法

引用计数法通过在对象头分配一个字段，用来存储该对象引用计数。一旦该对象被其他对象引用，计数加 1。如果这个引用失效，计数减 1。当引用计数值为 0 时，代表这个对象已不再被引用，可以被回收。

如上图所示，当 str 引用堆中对象时，计数值增加为 1。当 str 变为 null 时，既不再引用该对象，计数值减 1。此时该对象就可以被 GC 回收。

引用计数法只需要判断计数值，所以实现比较简单，这个过程也比较高效。但是存在一个很严重的问题，无法解决对象循环引用问题。

从上图可以看到， a,b 不再引用堆中对象，导致计数减一。此时两个对象内部还存在互相引用，计数值不为 0，此时 GC 没办法回收该对象。

可达性分析法

这个算法首先需要按照规则查找当前活跃的引用，将其称为 GC Roots。接着将 GC Roots 作为根节点出发，遍历对象引用关系图，将可以遍历（可达）的对象标记为存活，其余对象当做无用对象。

注意这里是是引用，而不是对象。

从上图可以看到，绿色对象虽然存在循环引用，但是由于这些对象不能被 GC Roots 遍历到，所以将会被回收。

可以被当做GC Roots 活跃引用包括但不限于以下引用：

• 方法中局部变量
• 静态变量，常量
• JNI handles
• ....

在哪里回收垃圾

还记得刚开始接触 Java 时，只知道堆栈，对象实例分配在堆中，方法中局部变量位于栈中。实际上 JVM 内存区域划分更加细致，分为：

• 堆
• 方法区
• 虚拟机栈
• 本地方法栈
• 程序计数器

如图所示，我们将内存划分为线程私有与线程共享的区域。方法区与堆都是线程共享的区域，这两部分占用 JVM 大部分内存，剩下三个小弟将会跟线程绑定，随着线程消亡，自动将会被 JVM 回收。

堆

堆应该是大家最熟悉的一块区域，几乎所有对象实例都将会在此出生，通常也是虚拟机上占用内存最大一块区域，简直就是 JVM 内存中的大哥大。堆内存内部也不是简简单单一块而已，目前将会根据分代算法，将堆分代，不同对象位于不同区域。这一点我们下文再详细了解。

方法区

方法区将会保存已被虚拟上加载的类信息、常量，静态变量，字节码等信息，堆上的对象正式通过方法区这些信息，才能正确创建出来。

栈

虚拟机栈栈由一系列栈帧组成，每个栈帧其实代表一个方法，栈帧中将会保存一个方法的局部变量表，方法出入口信息，操作栈等。每当调用一个方法，就将会把这个栈帧压入栈中，执行结束，出栈。

本地方法栈与虚拟机栈比较类似，最大区别在于，虚拟机栈执行的 Java 方法，而本地方法栈将会用来执行 Native 方法服务。下面方法就会在本地方法栈中执行。

public static native void arraycopy(Object src,  int  srcPos,
                                    Object dest, int destPos,
                                    int length);

程序计数器

程序计算器可以说是这几块区域占用最小的一部分，但是功能却十分重要。Java 源代码通过编译变成字节码，然后被 JVM 载入运行之后，将会变成一条条指令，而程序计数器的工作就是告诉当前线程下一条需要执行指令。这样即使发生了线程切换，等待恢复的时候，当前线程依然知道接下去要执行的指令。

怎么回收

目前主流 GC 算法主要分为三种：

• 标记-清除算法
• 复制算法
• 标记-整理算法

标记-清除算法

这是一个最为基础也是最容易实现的算法，主要实现步骤分为两步：标记，清除。

• 标记：通过上述 GC Roots 标记出可达对象。
• 清除：清理未标记对象。

ps：这个图着实难画啊。。。。

可以看到经过这个算法回收之后，虽然堆空间被清理出来，但是也产生很多空间碎片。这就会导致一个新对象根据堆剩余容量计算，看起来是可以分配，但是实际分配过程，由于没有连续内存，导致虚拟机感知到内存不足，又不得不提前再次触发 GC。

可能这里你就会有疑惑，为什么对象需要分配一块连续的内存？

这里引用一下 R 神 @RednaxelaFX 答案。

另外这个算法还有一个不足：标记与清除效率比较低。这就竟会导致 GC 占用时间过长，影响正常程序使用。

复制算法

为了解决上述效率问题，诞生复制算法。这个算法将可用内存分为两块，每次只使用其中一块，当这一块内存使用完毕，触发 GC ，将会把存活的对象依次复制到另外一块上，然后再把已使用过的内存一次性清理。

这个算法每次只需要操作一半内存，GC 回收之后也不存在任何空间碎片，新对象内存分配时只需要移动堆顶指针，按顺序分配内存即可，实现简单，运行高效。但是这个算法闲置一半内存空间，空间利用效率不高。

PS：复制算法以空间换时间，两者不可兼得

另外对象存活率也会影响复制算法效率。如果对象大部分都是朝生夕死，只需要移动少量存活对象，就能腾出大部分空间。反而如果对象存活率高，这就需要进行较多的复制操作，回收之后也并没有多余内存，这就可能导致频繁触发 GC。

针对这种存活时间长的对象，就需要使用标记-整理算法。

标记-整理算法

标记-整理算法可以说是标记-清除算法的改进版，改进了清除导致的空间碎片问题。这个算法分为两步：

• 标记：也是通过 GC Roots 标记存活对象。
• 整理：将存活对象往一端移动，按照内存地址一次排序，然后将末端边界之外内存直接清理。

虽然标记-整理算法解决了标记-清除算法空间碎片问题，也完整利用整个内存空间，但是这个算法问题效率并不高。相较于标记-清除算法，标记-整理算法多增加整理这一步，所以该算法效率还低于标记-清除算法。

分代收集算法

从上面三种 GC 算法可以看到，并没有一种空间与时间效率都是比较完美的算法，所以只能做的是综合利用各种算法特点将其作用到不用的内存区域。

目前商业虚拟机根据对象存活周期不同划分内存区域，一般分为新生代，老年代。新对象一般情况都会优先分配在新生代，新生代对象若存活时间大于一定阈值之后，将会移到至老年代。新生代的对象都是短命鬼，老年代的对象都是长寿先生。

新生代每次 GC 之后都可以回收大批量对象，所以比较适合复制算法，只需要付出少量复制存活对象的成本。这里内存划分并没有按照 1:1 划分，默认将会按照 8:1:1 划分成 Eden 与两块 Survivor空间。每次使用 Eden 与一块Survivor空间，这样我们只是闲置 10% 内存空间。不过我们每次回收并不能保证存活对象小于 10%,在这种情况下就需要依靠老年代的内存分配担保。当Survivor空间并不能保存剩余存活对象，就将这些对象通过分配担保进制移动至老年代。

老年代中对象存活率将会特别高，且没有额外空间进行分配担保，所以并不适合复制算法，所以需要使用标记-清除或标记-整理算法。

随便聊聊

最近又到一年一次大考的时候，不得不又拿起周志明『深入 Java 虚拟机』重新学习。还记得第一次翻看这本书的时候，大半内容看不懂，看完也很快就忘了。然后过了一段时间，又重新拿起此书，这次比上次好，也已经能看小大半了。最近跟一些小伙伴聊天，发现他们都是看这本书学习 JVM ，不得不说这本书真是一本神书。最近『深入 Java 虚拟机』第三版即将上架开售，有需要的小伙伴可以考虑入手了。

好了 ，GC 机制就就总结到这里，下一篇我们来聊聊 JVM 常用 GC 回收器。

帮助链接

GC Roots
Java虚拟机详解04----GC算法和种类
深入 Java 虚拟机

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