深入解析Java垃圾回收机制

目录

一、什么是垃圾回收

二、为什么需要垃圾回收

三、Java堆内存结构与分代模型

1、新生代（Eden区+Survivor区）

2、老年代

四、常见的垃圾回收算法

[1、标记 - 清除算法](#1、标记 - 清除算法)

2、复制算法

[3、标记 - 整理算法](#3、标记 - 整理算法)

五、分代回收的核心思想与工作流程

[六、Minor GC 和 Full GC 的区别](#六、Minor GC 和 Full GC 的区别)

七、垃圾回收器的典型实现

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一、什么是垃圾回收

垃圾回收****是指自动清理程序中不再使用的内存，把 " 没用的内存 " 回收再利用，避免内存泄漏、程序卡顿

• **Java、Go、Python、C#：**自带垃圾回收，自动管理内存
• **C/C++：**没有GC，需要程序员手动申请、手动释放内存，忘记释放就会导致内存泄漏

**缺点：**GC工作时会短暂暂停程序，对高实时场景有轻微影响

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二、为什么需要垃圾回收

1. 手动管理内存极其容易出错（人是靠不住的）
   像C++这种没有GC的语言，需要手动申请内存、手动释放内存
2. 没有GC大程序很难写出来，GC让开发者只关注业务逻辑，不用管内存死活
   像C++这种则依靠手动管理 + 智能指针
3. 没有GC，内存碎片会让程序卡死
   手动释放会使内存 " 碎片化 "，如果想要申请一段连续的内存，会申请不成功

垃圾回收的具体流程（回收机制）：

1. 找出谁是垃圾（不再使用的对象）
2. 释放垃圾对象对应的内存

在Java中，判断一个对象是否是垃圾，就是找这个对象是否有引用指向，如果一个对象没有引用指向，此时就可以认为这个对象不再使用了，像下面的代码只有a，b，c都为null时Test对象才可被释放

Test a = new Test();
Test b = a;
Test c = b;

第一种方案为：引用计数

引用计数不是Java使用的方案，而是Python / PHP使用的方案

对每个对象增加一个空间，这个空间存储一个整数，表示指向这个对象的引用个数，围绕对象进行引用复制时，会更新这个计数，在一定时间后如果计数是0，那么这个对象就可以释放

引用计数缺点：

1. 可能会消耗更多的内存空间
   如果对象本身很大，那么计数器可以忽略不计，如果对象本身只有四字节，计数器占了两字节，那么就占了50%的空间
2. 产生循环引用，会导致误判

第二种方案为：可达性分析

在Java中，一系列对象、引用存在一定的关系，类似于一个树型结构（本质是有向图遍历），从" 根节点 "出发，所有可以通过引用找到的对象 = 存活，找不到的 = 垃圾

现在以简单的代码举例：

class Test{
   A a = new A();
   B b = new B();
   C c = new C();
}

Test t = new Test();

class A{
  D d = new D();
  E e = new E();
}

class B{
  F f = new F();
}

....

此代码所映射的树型结构为：

可达性分析就是从树根节点出发（实际上有多个），尝试遍历这个对象树，遍历过程中凡是经过的对象，都标记为可达，JVM知道自己一共有多少对象，除了可以到达的，剩下的就是不可达

上述 " 可达性分析 " 需要周期性进行，对象的引用是实时变化的，一轮GC需要尽可能将GC Roots遍历，尽可能标记可达

我们需要了解两个概念：

1. GC Roots（GC根节点）
   系统认定一定不能回收的对象
2. 引用链
   对象之间的引用关系（如上述A指向D、E）

有哪些对象可以当 GC Roots？

• 栈上的局部变量（栈有很多，其上的栈帧也有很多，每个栈帧中局部变量也有很多）
• 常量池引用指向的对象（Integer 值 -128~127 会提前创建对象）
• 所有的引用类型静态成员

可达性分析优缺点：

1. 没有额外的内存空间消耗，解决了循环引用
2. 会消耗更多的CPU资源，是在用时间换空间

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三、Java堆内存结构与分代模型

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1、新生代（Eden区+Survivor区）

YGC（Minor GC）发生区，复制算法

1. Eden 伊甸区
   新建对象优先分配在 Eden，Eden满触发 Minor GC
2. Survivor 幸存区，S0，S1
   永远一块在用，一块空闲，每经过一次GC，年龄+1，默认年龄15升入老年代

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2、老年代

Old（Major GC），标记整理/标记清除

• 长期存活的对象：年龄达到阈值
• Eden大对象直接进入老年代，避免复制开销
  老年代空间不足触发Full GC

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四、常见的垃圾回收算法

1、标记 - 清除算法

把标记出来的垃圾，直接释放掉

现在对这些模块进行释放，这些被释放的内存在地址上是**" 离散的 "** （不连续），这就会导致内存碎片化 问题，在申请内存时都是申请连续的内存 ，当我们想要申请一个大内存时，会申请失败，但总空闲内存是足够的

在进程中，哪些对象是垃圾也是随机的，很可能在频繁的释放中产生大量的内存碎片

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2、复制算法

将内存区域划分为两块，每次只对其中的一块进行操作，可以有效解决内存碎片问题

现在将1、3标记为垃圾，然后对2、3、4进行复制操作，将它们复制到右边的区域，最后将左边区域全部GC

这样做有两个缺点：

1. 空间利用率很低，每次只使用50%的区域
2. 如果存活的对象很多，那么复制的开销就很大

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3、标记 - 整理算法

标记为垃圾的内存释放后，对现有的区域进行搬运

现在将2、5、7区域释放，对剩余区域进行搬运。

对于空间利用率得到了改善，但开销同样可能很大

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五、分代回收的核心思想与工作流程

核心思想：依据对象存活生命周期长短分代，不同代使用不同的垃圾回收算法，优化回 收效率

堆划分为新生代 （Eden区+From Survivor+To Survivor ）和老年代

工作流程：

1. 新new的对象，放在伊甸区，在经过第一轮GC后，绝大多数对象会被淘汰掉（经验规律：大部分对象生命周期很短（"朝生夕死"））
2. 没有淘汰掉的对象通过复制算法，进入到幸存区（幸存区有两个部分，每次只使用其中的一块），下一轮GC会对幸存区对象进行扫描，还会淘汰掉一部分
3. 没有被淘汰的对象，进入到另一个幸存区，由于每轮GC会淘汰掉大部分对象，所以进行复制算法的对象就不会很多，这就解决了复制算法开销大的问题，另一方面幸存区只占到新生代的20%，浪费的空间就比较小了
4. 随着GC的周期性进行，对象每进行一次拷贝，其年龄就 +1
5. 经过一定时间后，对象的年龄达到一定阈值，会拷贝进入老年代
6. 对象进入老年代后，进行GC的频率就降低了，虽然整理一次的开销较大，但频率比较低
7. 如果某个对象所占内存较大，就会直接进入老年代

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六、Minor GC 和 Full GC 的区别

它们都是Java垃圾回收的核心机制

• Minor GC是针对新生代GC，触发条件是Eden区满，使用复制算法，特点是频率高，速度快，时间短
• Full GC是针对新生代+老年代+元空间，触发条件是老年代空间不足，特点是频率低，速度慢，时间长

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七、垃圾回收器的典型实现

上述的分代回收是一个简化版本，也是一种思想方法

在垃圾回收时候需要考虑到效率问题，需要考虑对业务代码是否有影响

JVM垃圾回收器：

1. CMS:并发收集，多停顿，尽可能进行多线程标记，尽可能不影响业务逻辑
   缺点：内存碎片化，占用CPU
2. G1：分代+分区回收，能够处理内存空间特别大的情况，将整个内存区域划分出更多的空间，一次GC只回收其中的一部分
3. ZGC：新增分代设计，追求亚毫秒级STW，支持TB级超大内存

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