GC垃圾回收机制

Posted 2021-12-12 21-forever

个人理解：

　　因为在使用JAVA创建一个类或者对象后，难免会存在以后不使用的情况，为了减少其继续再占用内存，必须建立一套清理垃圾的机制，但是怎么判断什么样的才算是不使用的垃圾呢，这里面进行了判断并标记分类，然后根据不同的标记再进行不同的处理。不过世事无完美之说，其也是存在弊端的（开销通常很大，而且它的运行具有不确定性），为了避免，我们还是在正常工作中，养成一个好的编程习惯。详情参照https://www.cnblogs.com/jeffwongishandsome/p/talk-about-GC-and-how-to-use-GC-better.html（侵删）和https://www.cnblogs.com/zhguang/p/3257367.html（侵删）以及https://www.cnblogs.com/xiaoxi/p/6486852.html（侵删）。其都解释的比较详细！

一、JAVA内存区域：

在Java运行时的数据区里，由JVM（JAVA虚拟机）管理的内存区域分为下图几个模块：

其中：

1，程序计数器（Program Counter Register）：程序计数器是一个比较小的内存区域，用于指示当前线程所执行的字节码执行到了第几行，可以理解为是当前线程的行号指示器。字节码解释器在工作时，会通过改变这个计数器的值来取下一条语句指令。

　　每个程序计数器只用来记录一个线程的行号，所以它是线程私有（一个线程就有一个程序计数器）的。

　　如果程序执行的是一个Java方法，则计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令地址；如果正在执行的是一个本地（native，由C语言编写完成）方法，则计数器的值为Undefined，由于程序计数器只是记录当前指令地址，所以不存在内存溢出的情况，因此，程序计数器也是所有JVM内存区域中唯一一个没有定义OutOfMemoryError的区域。

2，虚拟机栈（JVM Stack）：一个线程的每个方法在执行的同时，都会创建一个栈帧（Statck Frame），栈帧中存储的有局部变量表、操作站、动态链接、方法出口等，当方法被调用时，栈帧在JVM栈中入栈，当方法执行完成时，栈帧出栈。

　　局部变量表中存储着方法的相关局部变量，包括各种基本数据类型，对象的引用，返回地址等。在局部变量表中，只有long和double类型会占用2个局部变量空间（Slot，对于32位机器，一个Slot就是32个bit），其它都是1个Slot。需要注意的是，局部变量表是在编译时就已经确定好的，方法运行所需要分配的空间在栈帧中是完全确定的，在方法的生命周期内都不会改变。

　　虚拟机栈中定义了两种异常，如果线程调用的栈深度大于虚拟机允许的最大深度，则抛出StatckOverFlowError（栈溢出）；不过多数Java虚拟机都允许动态扩展虚拟机栈的大小(有少部分是固定长度的)，所以线程可以一直申请栈，直到内存不足，此时，会抛出OutOfMemoryError（内存溢出）。

　　每个线程对应着一个虚拟机栈，因此虚拟机栈也是线程私有的。

3，本地方法栈（Native Method Statck）：本地方法栈在作用，运行机制，异常类型等方面都与虚拟机栈相同，唯一的区别是：虚拟机栈是执行Java方法的，而本地方法栈是用来执行native方法的，在很多虚拟机中（如Sun的JDK默认的HotSpot虚拟机），会将本地方法栈与虚拟机栈放在一起使用。

　　本地方法栈也是线程私有的。

4，堆区（Heap）：堆区是理解Java GC机制最重要的区域，没有之一。在JVM所管理的内存中，堆区是最大的一块，堆区也是Java GC机制所管理的主要内存区域，堆区由所有线程共享，在虚拟机启动时创建。堆区的存在是为了存储对象实例，原则上讲，所有的对象都在堆区上分配内存（不过现代技术里，也不是这么绝对的，也有栈上直接分配的）。

　　一般的，根据Java虚拟机规范规定，堆内存需要在逻辑上是连续的（在物理上不需要），在实现时，可以是固定大小的，也可以是可扩展的，目前主流的虚拟机都是可扩展的。如果在执行垃圾回收之后，仍没有足够的内存分配，也不能再扩展，将会抛出OutOfMemoryError:Java heap space异常。

　　关于堆区的内容还有很多，将在下节“Java内存分配机制”中详细介绍。

5，方法区（Method Area）：在Java虚拟机规范中，将方法区作为堆的一个逻辑部分来对待，但事实上，方法区并不是堆（Non-Heap）；另外，不少人的博客中，将Java GC的分代收集机制分为3个代：青年代，老年代，永久代，这些作者将方法区定义为“永久代”，这是因为，对于之前的HotSpot Java虚拟机的实现方式中，将分代收集的思想扩展到了方法区，并将方法区设计成了永久代。不过，除HotSpot之外的多数虚拟机，并不将方法区当做永久代，HotSpot本身，也计划取消永久代。本文中，由于笔者主要使用Oracle JDK6.0，因此仍将使用永久代一词。

　　方法区是各个线程共享的区域，用于存储已经被虚拟机加载的类信息（即加载类时需要加载的信息，包括版本、field、方法、接口等信息）、final常量、静态变量、编译器即时编译的代码等。

　　方法区在物理上也不需要是连续的，可以选择固定大小或可扩展大小，并且方法区比堆还多了一个限制：可以选择是否执行垃圾收集。一般的，方法区上执行的垃圾收集是很少的，这也是方法区被称为永久代的原因之一（HotSpot），但这也不代表着在方法区上完全没有垃圾收集，其上的垃圾收集主要是针对常量池的内存回收和对已加载类的卸载。

　　在方法区上进行垃圾收集，条件苛刻而且相当困难，效果也不令人满意，所以一般不做太多考虑，可以留作以后进一步深入研究时使用。

　　在方法区上定义了OutOfMemoryError:PermGen space异常，在内存不足时抛出。

　　运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分，用于存储编译期就生成的字面常量、符号引用、翻译出来的直接引用（符号引用就是编码是用字符串表示某个变量、接口的位置，直接引用就是根据符号引用翻译出来的地址，将在类链接阶段完成翻译）；运行时常量池除了存储编译期常量外，也可以存储在运行时间产生的常量（比如String类的intern()方法，作用是String维护了一个常量池，如果调用的字符“abc”已经在常量池中，则返回池中的字符串地址，否则，新建一个常量加入池中，并返回地址）。

6，直接内存（Direct Memory）：直接内存并不是JVM管理的内存，可以这样理解，直接内存，就是JVM以外的机器内存，比如，你有4G的内存，JVM占用了1G，则其余的3G就是直接内存，JDK中有一种基于通道（Channel）和缓冲区（Buffer）的内存分配方式，将由C语言实现的native函数库分配在直接内存中，用存储在JVM堆中的DirectByteBuffer来引用。由于直接内存收到本机器内存的限制，所以也可能出现OutOfMemoryError的异常。

Java对象的访问方式

一般来说，一个Java的引用访问涉及到3个内存区域：JVM栈，堆，方法区。

　以最简单的本地变量引用：Object obj = new Object()为例：

①、Object obj表示一个本地引用，存储在JVM栈的本地变量表中，表示一个reference类型数据；

②、new Object()作为实例对象数据存储在堆中；

③、堆中还记录了Object类的类型信息（接口、方法、field、对象类型等）的地址，这些地址所执行的数据存储在方法区中；

二、需要GC的原因：

应用程序对资源操作，通常简单分为以下几个步骤：

1、为对应的资源分配内存

2、初始化内存

3、使用资源

4、清理资源

5、释放内存

应用程序对资源（内存使用）管理的方式，常见的一般有如下几种：

1、手动管理：C,C++

2、计数管理：COM

3、自动管理：.NET,Java,php,GO…

但是，手动管理和计数管理的复杂性很容易产生以下典型问题：

1.程序员忘记去释放内存

2.应用程序访问已经释放的内存

产生的后果很严重，常见的如内存泄露、数据内容乱码，而且大部分时候，程序的行为会变得怪异而不可预测，还有Access Violation等。

.NET、Java等给出的解决方案，就是通过自动垃圾回收机制GC进行内存管理。这样，问题1自然得到解决，问题2也没有存在的基础。

总结：无法自动化的内存管理方式极容易产生bug，影响系统稳定性，尤其是线上多服务器的集群环境，程序出现执行时bug必须定位到某台服务器然后dump内存再分析bug所在，极其打击开发人员编程积极性，而且源源不断的类似bug让人厌恶。

三、GC如何工作：

GC的工作流程主要分为如下几个步骤：

1、标记(Mark)---GC的根节点也即GC Root

2、计划(Plan)

3、清理(Sweep)

4、引用更新(Relocate)

5、压缩(Compact)

 

在Java中，可以当做GC Root的对象有以下几种：

1、虚拟机（JVM）栈中的引用的对象

2、方法区中的类静态属性引用的对象

3、方法区中的常量引用的对象（主要指声明为final的常量值）

4、本地方法栈中JNI的引用的对象

 四、什么时候发生GC;

1、当应用程序分配新的对象，GC的代的预算大小已经达到阈值，比如GC的第0代已满

2、代码主动显式调用System.GC.Collect()

3、其他特殊情况，比如，windows报告内存不足、CLR卸载AppDomain、CLR关闭，甚至某些极端情况下系统参数设置改变也可能导致GC回收

五、建议：

由于GC的代价很大，平时开发中注意一些良好的编程习惯有可能对GC有积极正面的影响，否则有可能产生不良效果。

1、尽量不要new很大的object，大对象（>=85000Byte）直接归为G2代，GC回收算法从来不对大对象堆（LOH）进行内存压缩整理，因为在堆中下移85000字节或更大的内存块会浪费太多CPU时间。

2、不要频繁的new生命周期很短object，这样频繁垃圾回收频繁压缩有可能会导致很多内存碎片，可以使用设计良好稳定运行的对象池（ObjectPool）技术来规避这种问题。

3、使用更好的编程技巧，比如更好的算法、更优的数据结构、更佳的解决策略等等。