java底层知识GC相关

Posted 2021-12-12 dasha

 

GC简单的了解

GC：Garbage Collection 字面意思是垃圾回收器，释放垃圾占用的内存空间。让创建的对象不需要像c、c++那样delete、free掉。对于c、c++的开发人员分配的，也就是说还要对内存进行维护和释放。对于java程序员来说，一个对象的内存分配是在虚拟机的自动分配机制的帮助下，不再需要为每一个new操作去写配对的delete/free代码，而且不容易出现内存泄漏和内存溢出的问题，但是，如果出现了内存泄漏和内存溢出问题，而开发者又不了解虚拟机怎么分配内存的话，那么定位错误和排除错误将是一件很痛苦的事。

jvm内存管理结构，如图

 

JVM运行时数据区

• 程序计数器（Program Counter Register）：程序计数器是用于存储每个线程下一步执行的JVM指令，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各条线程之间的计数器互不影响，独立存储，故称该区域为“线程私有内存”
• JVM栈（JVM stack）：与程序计数器一样，Java虚拟机栈也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型；每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧用于存储局部变量表，操作栈，动态链接，方法出口等信息。每个方法被调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。
  局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、long、double）、非基本类型的对象在JVM栈上仅存放一个指向堆上的地址。
• Java堆（Head）：对于大多数应用来说，Java堆是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此区域的唯一目的就是存放对象的实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。
  Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此很多时候也被称作“GC堆”。如果从内存回收的角度看，由于现在收集器基本上都采用分代收集算法，所以Java堆中还可以细分为 ：新生代和老年代；再细分一点新生代有Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。
  根据Java虚拟机规范规定，Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可，就像我们的磁盘空间一样，在实现时，既可以实现成固定大小的，也可以是可扩展的，不过当前主流的虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过-Xmx和-Xms控制）。一般设置成同样大小，以避免每次垃圾回收完成后JVM重新分配内存，引起性能问题。如果在堆中没有内存完成实例分配，并且无法再扩展时，将会抛出OutOfMemoryError异常
• 方法区（Method Area）：方法区与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做Non-Heap（非堆），目的应该是与Java堆区分开来。对于习惯在HotSpot虚拟机上开发和部署程序的开发者来说，很多人愿意把方法区称为“永久代”（Permanent Generation），本质上两者并不等价，仅仅是因为HotSpot虚拟机的设计团队选择吧GC分代收集扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区而已。
  此区域内存不够时我们会得到：java.lang.OutOfMemoryError: PermGen错误。而在JDK8中发生了明显的变化，就是一般情况下不会得到这个错误，原因是在于JDK8中把存放元数据中的永久代从堆内存中移到了本地内存。这样永久代就不再占用堆内存，当然JDK8也提供了一个新的设置Matespace内存大小的参数，通过这个参数可以设置Matespace内存大小，这样我们可以根据自己项目的实际情况，避免过度浪费本地内存，达到有效利用。

  -XX:MaxMetaspaceSize=128m 设置最大的元内存空间128兆

 

对象被判定为垃圾的标准

1、没有被其他对象引用

判定对象是否为垃圾的算法

1、引用计数算法

判断对象的引用数量

1）、通过判断对象的引用数量来决定对象是否可以被回收

2）、每个对象实例都有一个引用计数器，被引用则+1，完成引用-1

3）、任何引用数为0的对象实例可以被当做垃圾收集

优点：执行效率高，程序执行受影响较小

缺点：无法检测出循环引用的情况，导致内存泄漏

2、可达性分析算法

通过判断对象的引用链是否可达来决定对象是否可以被回收

可以作为GC ROOT的对象：

1）、虚拟机栈中引用的对象（栈帧中的本地变量表）

2）、方法区中的常量引用的对象

3）、方法区中的类静态属性引用的对象

4）、本地方法栈中JNI（native方法）的引用对象

5）、活跃线程的引用对象

垃圾回收算法

1、标记-清除算法

　　最基础的收集算法，算法分为“标记”和“清除”两个阶段：首先标记出所有需要回收的对象，在标记完成后统计回收所有被被标记的对象。

　　缺点：

• 标记和清除两个过程效率都不高。
• 空间问题，标记清除后会产生大量不连续的内存碎片，碎片太多可能会导致以后在程序运行过程中需要分配大对象时，无法找到足够的连续内存而不得不提前触发另一次垃圾收集动作。

 

 

2、复制算法

　　为了解决效率问题，一种称为“复制”（Copying）的收集算法出现了，它将可用的内存按容量划分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块，当这块内存用完了，就将还存活着的对象复制到另一块上面，然后再把已使用过的内存空间一次清理掉。这样使得每次都是对整个半区进行内存回收，内存分配时也就不用考虑内存碎片等复杂情况，只要移动堆顶指针，按顺序分配内存即可，实现简单，运行高效。只是这种算法的代价是将内存缩小为原来的一半，未免太高了一点。新生代GC算法采用的就是这种算法。Hotspot虚拟机默认为Eden和Survivor的比例是8:1:1。

 

3、标记-整理算法

　　复制收集算法在对象存活率较高时就要进行较多的复制操作，效率将会变低。更关键的是，如果不想浪费50%的空间，就需要有额外的空间进行分配担保，以应对被使用的内存中所有对象都100%存活的极端情况，所以在老年代一般不能直接使用这种算法。
　　根据老年代的特点，有人提出了另外一种“标记-整理”（Mark-Compact）算法，标记过程仍然与“标记-清除”算法一样，但后续步骤不是直接对可回收对象进行清理，而是让所有存活的对象都向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存，“标记-整理”算法如图

 

4、分代收集算法

　　当前商业虚拟机的垃圾收集都采用“分代收集”算法，这种算法并没有什么新的思想，只是根据对象存活周期的不同将内存划分为几块，一般是把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采用最适当的收集算法。在新生代中，每次垃圾收集时都发现有大批对象死去，只有少量存活，那就选用复制算法，只需要付出少量存活对象的复制成本就可以完成收集。而老年代中因为对象存活率高，没有额外空间对它进行分配担保，就必须使用“标记-清理”或者“标记-整理”算法来进行回收。