Java虚拟机——JVM(Java Virtual Machine)解析二-EW帮帮网

1.JVM的垃圾回收机制

1.1什么是垃圾回收？

JVM的垃圾回收(Garbage Collection，GC)是一种自动内存管理机制，用于回收程序中不再使用的对象占用的内存空间，避免因对象未被正确释放而导致内存耗尽

1.2垃圾回收的区域

在上篇博文中，我介绍了JVm中运行时数据区的区域划分。其中，虚拟机栈，本地方法栈，程序计数器是线程私有空间，会随着线程的销毁而自动释放。剩下的方法区和堆是所有线程共享的内存空间，不会伴随某一个线程释放，生命周期和应用程序一致，所以需要程序员对方法区和堆中的无用数据进行手动释放，避免内存溢出。

但是在JDK8之后，方法区的实现方式由永久代变成了元空间(上篇博文有详细介绍)，这使得方法区中存放的的数据有一定变化。元空间不再在堆中开辟空间而是单独的一块空间，并且把类的静态变量和常量池转移到堆中，方法区中实际上只剩下类元信息。一个应用程序中的类不是无限的，所以一般也不需要回收。

基于上述条件，可以确定垃圾回收的主要区域是堆，主要回收目标是堆中的无用对象

1.3 垃圾判断算法

在Java中，要使用一个对象必定是通过一个引用来访问的，所以可以根据一个对象是否有引用指向它来判断是否有用。

1.3.1引用计数算法

工作原理：

1.初始化：每个对象被创建时，其引用计数被初始化为1，表示有一个引用指向该对象
2.引用增加：当有一个新的引用指向该对象时，引用计数加一
3.引用减少：当某一引用不再指向该对象时，引用计数减一
4.内存回收：当引用计数减少为0时，表示没有任何引用指向该对象，此时可以安全地回收该对象占用的内存空间

缺点：

1.额外的内存空间开销：每个对象都需要为其引用计数单独开辟空间
2.线程安全问题：引用计数的增加和减少涉及到非原子性写操作，在多线程环境下可能会导致引用计数不同步

以上两个问题不是致命缺点，最严重的是接下来的问题

3.循环引用：如果两个或者多个对象相互引用，即使它们煤油其他外部变量来引用，引用计数不会减少为0，导致内存泄露

例如以下代码示例：

class A{
    B b2 = new B();
}

class B{
    A a2 = new A();
}

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        A a1 = new A();
        B b1 = new B();
    }
}

在main线程的私有虚拟机栈中，A和B对象别分有一个引用(a1/b1)，此时引用计数为1。
在A对象内部有指向B对象的引用，在B对象内部有指向A对象的引用，此时引用计数为2
当a1和b1引用被回收后，引用计数减为1，但对象内部的引用没有被回收，导致引用计数不为0
这是引用计数算法的致命缺点，所以又引出了可达性分析算法

1.3.2可达性分析算法

工作原理：从一组称为“根对象”（GC Roots）的对象开始，沿着引用链遍历所有可达的对象，未被标记为可达的对象则被认为是不可达的，可以被回收
基本步骤：

1.根搜索（Root Searching）：从根对象开始，根对象包括全局变量、活跃线程的栈中的局部变量、JNI引用、方法区中的常量引用等
2.遍历对象图（Object Graph Traversal）：从根对象开始，递归地遍历对象之间的引用关系，标记所有可达的对象
3.标记阶段（Marking Phase）：在遍历过程中，已访问的对象被标记为“被访问过”，以避免重复访问
4.清除阶段（Sweeping Phase）：标记完成后，所有未被标记的对象被视为不可达，回收其占用的内存

优点：

1.解决循环引用问题：可达性分析能够检测和处理循环引用的问题，即使对象之间存在互相引用，只要它们不能从根对象或其他可达对象访问到，就可以安全地回收
2.避免引用计数的性能开销：不需要实时更新引用计数，避免了引用计数算法带来的性能开销

1.4 垃圾回收算法

1.4.1 标记-清除算法

工作原理：

1.标记所有可达对象
2.清除未标记的对象

优点：

1.解决循环引用问题
2.内存利用率高：不需要额外预留空间

在这里插入图片描述
缺点：

1.内存碎片：清除后产生内存碎片，可能导致后续内存申请失败。如上图，将垃圾回收后，剩下的可利用空间被分割成BCD和FGH两个区域，假设一个格子表示1kb。此时总可利用内存大小是6kb，但是实际上一次性可申请的最大内存是3kb
2.STW停顿：标记和清除阶段需暂停应用线程，导致延迟。不过随着技术不断发展，STW的停顿时间越来越短了

适用场景：老年代垃圾回收。因为老年代发生垃圾回收的频率较低，不容易产生内存碎片(年代划分等到分代回收算法再介绍)

1.4.2 复制算法

工作原理：将内存分为两块（From和To），存活对象从From复制到To，然后清空From
在这里插入图片描述

优点：

1.无内存碎片：对象复制后内存连续
2.高效分配：新内存从To空间顶端顺序分配
3.吞吐量高：适合存活率低的对象（如年轻代）

缺点：

1.内存浪费：需双倍内存空间，利用率仅50%
2.对象复制开销：存活率高时性能急剧下降

适用场景：年轻代回收。因为年轻代的存活率较低，回收率较高

1.4.3 分代回收算法

思想：基于对象存活时间划分内存区域（如年轻代、老年代），对不同代采用不同算法
在这里插入图片描述
回收流程：

1.代码中创建(new)一个对象时，就会存储在伊甸区。伊甸区的对象大概率活不过一轮GC
2.活过一轮GC的对象被转移到生存区A。经历GC后存活的对象通过复制算法复制到同样大小的生存区B，只要能在经历GC后存活下来，就会被复制到生存区的另一半，并且每经历一轮GC年龄就会+1
3.如果对象在生存区中经历多轮GC仍然存活，JVM就会认为这种类的生命周期较长，就可能会复制到老年区

优点：

1.针对性优化：年轻代（存活率低）用复制算法，老年代用标记-清除/整理
2.综合性能高：减少全局GC频率，提升吞吐量

缺点：

1.实现复杂：需要使用多种回收算法相互协同

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