JVM：垃圾回收

发布于：2025-04-18 ⋅ 阅读:(20) ⋅ 点赞:(0)

一、垃圾回收概述

（1）垃圾回收主要解决的问题

  1. 内存溢出：当程序在运行过程中，所需的内存超出了 JVM 被分配到的内存空间时，就会发生内存溢出。垃圾回收会将不再被引用的对象进行回收，释放内存空间，以避免或缓解内存溢出问题
  2. 内存泄漏：内存泄漏指对象已经不再被使用，但由于某些原因（如持有无用对象的引用），仍然无法被垃圾回收机制回收。垃圾回收机制会尽量识别并解决这种情况，不过一些复杂的内存泄漏场景可能需要开发者手动排查和修复

（2）触发垃圾回收的情况

  1. 被动触发：
    1. 当伊甸园区内存空间已满时，会触发 Minor GC，主要回收新生代的垃圾对象
    2. 当老年代内存空间已满时，通常会触发 Major GC ，在很多情况下，Major GC 会伴随着 Full GC，Full GC 会对整个堆（包括新生代、老年代和方法区等）进行垃圾回收
    3. 当堆内存的总占用达到 JVM 设置的某个阈值时，也会触发垃圾回收
  2. 主动触发：程序中调用 System.gc() 或者 Runtime.getRuntime().gc() 方法，这只是向 JVM 发出进行垃圾回收的建议，JVM 并不一定会立即执行垃圾回收操作，它会根据自身的状态和策略来决定是否进行回收

二、垃圾回收相关算法

  1. 标记 - 清除算法：先标记出垃圾对象，之后统一清除。此方法会产生大量内存碎片，这些碎片难以被有效利用。比如需要存放一个大对象时，分散的内存碎片可能无法提供足够的连续空间（可联想到对象分配内存时的空闲列表法）
  2. 复制算法：将存活对象从一块内存空间复制到另一块。该算法适用于存活对象较少的场景，复制操作较少，效率较高。但缺点是需要额外的内存空间，实际可用内存变为原来的一半
  3. 标记 - 整理算法：先标记出垃圾对象，然后把存活对象整理到内存的一侧，接着清除另一侧的垃圾对象。这样解决了标记 - 清除算法产生大量内存碎片的问题，使内存布局更加规整（可联想到对象分配内存时的指针碰撞法）
  4. 分代回收算法：针对新生代和老年代的不同特点，分别采用不同的垃圾回收算法。新生代中对象存活率较低，采用复制算法效率较高；老年代中对象存活率较高，一般采用标记 - 整理算法，避免内存碎片对后续大对象分配的影响

三、垃圾器 CMS 和 G1的区别

  1. 回收范围：
    1. CMS 垃圾回收器主要针对老年代进行垃圾回收，它需要和新生代垃圾回收器（如 Serial 或 ParNew）配合使用，才能实现全堆的垃圾清理
    2. 而 G1 垃圾回收器打破了传统的新生代和老年代的划分，将堆内存划分为多个 Region，可以独立完成全堆的垃圾回收工作
  2. 算法使用及内存碎片问题
    1. CMS 基于标记 - 清除算法，该算法在回收垃圾后容易产生内存碎片
    2. G1 则更为灵活，对于新生代的 Region 采用复制算法，对于老年代的 Region 采用标记 - 整理算法。复制算法和标记 - 整理算法在处理存活对象时，能有效避免或减少内存碎片的产生。不过严格来说，复制算法和标记 - 整理算法在极端情况下也可能存在少量碎片，但相比标记 - 清除算法要好很多
  3. 内存整理情况
    1. CMS 使用标记 - 清除算法，只是简单标记并清除垃圾对象，不会对内存进行整理，从而导致内存碎片。G1 使用的复制算法是将存活对象复制到新的区域，标记 - 整理算法会将存活对象移动到内存的一端，这两种算法都在回收垃圾的同时对内存进行了整理，使内存布局更加规整
  4. 停顿时间控制：CMS 的设计目标是尽可能缩短垃圾回收时的停顿时间，提高应用的响应性能。但由于每次回收时垃圾的分布和数量难以精确预估，导致停顿时间的波动较大。G1 引入了预测模型，允许用户手动设置最大停顿时间目标。G1 会根据这个目标，优先选择垃圾回收收益最大（即垃圾数量最多）的 Region 进行回收，从而更精准地控制停顿时间
  5. 浮动垃圾问题：CMS 在并发标记和并发清除阶段，由于应用程序线程和垃圾回收线程同时运行，会产生新的垃圾，这些垃圾被称为浮动垃圾，只能留到下一次垃圾回收时处理。G1 在筛选回收阶段会发生 Stop - The - World，在这个阶段应用程序线程暂停，不会产生浮动垃圾，但在并发标记阶段同样可能产生少量浮动垃圾

四、垃圾回收器

  1. Serial：它是单线程的垃圾回收器，在进行垃圾回收时，JVM 只会启动一个 GC 线程，并且在回收过程中，应用程序的所有线程都要暂停（Stop - The - World）。由于单线程执行垃圾回收工作，处理任务量较大，因此 Stop - The - World 的时间相对较长。它主要适用于单 CPU 环境下的小型应用程序
  2. CMS（Concurrent Mark Sweep Collector）：这是一款多线程并发的垃圾回收器，JVM 会启动多个 GC 线程并行进行垃圾回收工作。多个线程同时工作使得回收速度加快，能有效缩短 Stop - The - World 的时间，提升应用程序的响应性能。不过，它基于 “标记 - 清除” 算法，在回收后会产生大量内存碎片。CMS 主要用于老年代的垃圾回收，通常需要和 Serial 或 ParNew 等新生代垃圾回收器配合使用
  3. G1（Garbage - First）：G1 是一款面向服务端应用的垃圾回收器，它打破了传统的新生代和老年代的划分方式，将堆内存划分为多个大小相等的独立区域（Region）。G1 可以同时回收新生代和老年代，它会根据每个 Region 中垃圾的数量，优先回收垃圾最多的区域（即 “Garbage - First”）。G1 采用多线程并行回收的方式，在不同的 Region 会根据对象存活情况采用不同的算法，比如在新生代的 Region 采用复制算法，老年代的 Region 采用标记 - 整理算法，以此来避免内存碎片问题
  4. ZGC（Z Garbage Collector）：ZGC 是一种可伸缩的、低延迟的垃圾回收器，适用于堆内存非常大（从几百 MB 到数 TB）的场景。它的设计目标是在尽可能不影响应用程序性能的前提下，高效地回收大量数据，其停顿时间可以控制在 10 毫秒以内，即使在处理海量数据时也能保证极低的延迟

五、如何判断谁是垃圾？

（1）判断垃圾的方法

  1. 引用计数法：对象每被引用一次，其对应的引用计数器就加 1；每次引用被撤销，引用计数器就减 1。当引用计数器的值为 0 时，该对象就可以被回收。不过，这种方法存在缺陷，例如当 A 对象持有 B 对象的引用，同时 B 对象持有 A 对象的引用，即便它们都不再被其他对象使用，由于双方引用计数器的值都不为 0，这两个对象都无法被垃圾回收，出现类似于 “死锁” 的循环引用情况

  2. 可达性分析法：从 GC Roots 开始，通过引用链标记可达对象。可达对象不能被回收，不可达对象则可以被回收

（2）GC Roots

  1. 虚拟机栈中栈帧的局部变量表中的变量：这些变量引用的对象在方法执行期间是可达的
  2. 方法区中的静态变量：静态变量属于类，在类加载时就存在，它们引用的对象也是可达对象
  3. 方法区中的常量：引用类型的常量指向堆中的对象，是可达对象的一部分
  4. 本地方法栈中栈帧的局部变量表中的变量：本地方法栈用于执行本地方法，其中局部变量表中的变量引用的对象同样为可达对象

六、GC的类型

  1. Minor GC：当伊甸园区空间不足时触发，主要对整个新生代进行垃圾回收。默认情况下，新生代与老年代的空间占比约为 1 : 2 ，新生代空间相对较小。并且新创建的对象大多会存放在新生代的伊甸园区，所以 Minor GC 触发较为频繁。不过由于清理的区域相对较小，且新生代中大部分对象的生命周期较短，很多对象在第一次 Minor GC 时就会被回收，因此 Minor GC 的清理速度通常较快
  2. Major GC：一般是当老年代空间不足时触发，它主要回收老年代的垃圾对象。虽然部分情况下 Major GC 可能会伴随着 Minor GC 一起执行，但它并不一定会对新生代进行回收。老年代空间较大，且其中存活对象较多，垃圾回收的难度和工作量相对较大，所以清理速度较慢，触发频率也相对较低
  3. Full GC：触发条件包括方法区内存不足、堆内存达到一定阈值，或者手动调用 System.gc()、Runtime.getRuntime().gc() 方法等。Full GC 会对整个堆内存（包括新生代和老年代）以及方法区进行垃圾回收。由于其清理的范围最广、涉及的对象数量最多，所以清理速度最慢，触发频率也最低

三者的清理速度排序通常为：Minor GC＞Major GC＞Full GC

七、G1 垃圾回收过程

  1. 初始标记阶段：触发 G1 垃圾回收时，JVM 开启多个线程进行回收工作。此阶段会发生 Stop - The - World，暂停所有正在运行的 Java 线程，目的是标记出所有从 GC Roots 直接可达的对象。这个阶段的停顿时间较短
  2. 并发标记阶段：Java 线程恢复运行，与此同时，垃圾回收线程也在后台并发执行。它们会从初始标记阶段标记的对象开始，遍历整个堆，找出所有可达对象，并对对象的引用关系进行标记。该阶段不会影响应用程序的正常运行
  3. 最终标记阶段（再标记阶段）：再次触发 Stop - The - World。在并发标记阶段，由于 Java 线程仍在运行，对象的引用关系可能发生了变化，所以这个阶段会对这些变化进行修正。它会使用 SATB（Snapshot At The Beginning）算法来快速完成检查，而不用扫描整个堆，因此暂停时间相对较短
  4. 筛选回收阶段：第三次触发 Stop - The - World。在这个阶段，垃圾回收线程会根据各个 Region 的垃圾回收价值（即垃圾数量）进行排序，优先选择垃圾最多的 Region 进行回收。同时，会记录哪些 Region 中有存活对象，哪些 Region 是空的。这一阶段会根据用户设定的停顿时间目标，制定回收计划，尽可能在规定时间内完成垃圾回收工作
  5. 存活对象处理（转移阶段）：垃圾回收线程会对存活对象进行处理。对于属于新生代的 Region，采用复制算法，将存活对象复制到新的空闲 Region 中；对于属于老年代的 Region，采用标记 - 整理算法，把存活对象移动到内存的一端，以消除内存碎片

网站公告

今日签到

点亮在社区的每一天
去签到

热门文章

最新发布