Java高阶私房菜-JVM垃圾回收机制及算法原理探究

垃圾回收机制

什么是垃圾回收机制

JVM的自动垃圾回收机制

垃圾回收机制的关键知识点

初步了解判断方法-引用计数法

GCRoot和可达性分析算法

什么是可达性分析算法

什么是GC Root

对象回收的关键知识点

标记对象可回收就一定会被回收吗？

可达性分析算法为什么可以解决循环引用造成的内存泄漏问题？

编辑

垃圾回收算法

标记-清除算法原理

标记-复制算法原理

标记-整理-压缩算法原理

几种算法对比

JVM迄今为止都是程序员老生常谈的话题，实话说我每一次研究探索完后都会忘一次，但好在每次探究都有新的见解，再加上JDK每迭代更新一版都会有新的特性和改良，对此，我们就当温故知新，增进新的理解，弥补不足，在这里我不讲大而全的知识，也不会讲老旧的知识点，主要围绕在工作中实际遇到现象进行探索，究其根本，夯实基础。本文主要讲述什么是垃圾回收机制，以及核心的几种垃圾回收算法，逐步深入浅出讲解由来和应用场景。

垃圾回收机制

什么是垃圾回收机制

垃圾回收机制（Garbage Collection，简称GC) 指自动管理动态分配的内存空间的机制，自动回收不再使用的内存，以避免内存泄漏和内存溢出的问题。

最早是在1960年代提出的，程序员需要手动管理内存的分配和释放，这往往会导致内存泄漏和内存溢出等问题，同时也增加了程序员的工作量，特别是C++/C语言开发的时候，Java语言是最早实现垃圾回收机制的语言之一，其他编程语言，如C#、Python和Ruby等，也都提供了垃圾回收机制。

JVM的自动垃圾回收机制

指Java虚拟机在运行Java程序时，自动回收不再使用的对象所占用的内存空间的过程。Java程序中的对象，一旦不再被引用会被标记为垃圾对象，JVM会在适当的时候自动回收这些垃圾对象所占用的内存空间。

其优点在于

减少了开发人员的工作量，不需要手动管理内存；
动态地管理内存，根据应用程序的需要进行分配和回收，提高了内存利用率；
避免内存泄漏和野指针等问题，增加程序的稳定性和可靠；

缺点在于

垃圾回收会占用一定的系统资源，可能会影响程序的性能；
垃圾回收过程中会停止程序的执行，可能会导致程序出现卡顿等问题；
不一定能够完全解决内存泄漏等问题，需要在编写代码时注意内存管理和编码规范；

垃圾回收机制的关键知识点

垃圾回收机制需要判断哪些对象需要回收？即如何判读判断对象存活。其方法包括了有引用计数法和可达性分析算法（JVM采用）。

如何针对性进行回收？其收集死亡对象方法主要有三种，有标记-清除算法、标记-复制算法和标记-整理算法。每个中算法所针对的场景都不一样，没有最优解，只有最合适。

了解垃圾回收算法和垃圾收集器的关系？两者没有可比性，是承先启后的关系，垃圾回收算法是垃圾回收的方法论，而垃圾收集器是算法的落地实现。

初步了解判断方法-引用计数法

简而言之就是跟踪每个对象被引用的次数，当引用次数为0时，就可以将该对象回收。在JVM中，每个对象都有一个引用计数器，当对象被引用时，引用计数器+1，当对象被取消引用时，引用计数器-1，当引用计数器为0时，该对象就可以被回收。

其优点在于实现简单，回收垃圾的效率高。但缺点也显而易见循环引用无法回收。如果两个对象互相引用，它们的引用计数器永远不会为0，因此无法真正被回收，而且引用计数器开销大，每个对象都需要一个引用计数器，如果对象很多，开销就会很大。

什么是循环引用

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        A a = new A();
        B b = new B();
        a.setB(b);
        b.setA(a);
        a = null;
        b = null;
        System.gc();
    }
}

class A {
    private B b;

    public void setB(B b) {
        this.b = b;
    }
}

class B {
    private A a;

    public void setA(A a) {
        this.a = a;
    }
}

类A和类B相互引用，每个对象都持有对方的引用，形成了一个循环引用的环，当Main方法执行完毕后，a和b对象都置为null。由于它们相互引用，它们的引用计数器都不为0，无法被垃圾回收器回收，导致内存泄漏，但是上面代码却不会发生内存泄漏，因为多数jvm没有采用这个引用计数器方案，而是采用可达性分析算法。

GCRoot和可达性分析算法

什么是可达性分析算法

简而言之就是从一些“GC Roots”对象开始，通过搜索引用链的方式，找到所有可达对象。如果一个对象没有任何引用链与GC Roots相连，那么它就被判定为不可用的，是可以被回收的垃圾对象。

什么是GC Root

指一些被JVM认为是存活的对象，它们是垃圾回收算法的起点，可以理解为由堆外指向堆内的引用，本身是没有存储位置，都是字节码加载运行过程中加入 JVM 中的一些普通引用。通俗的例子可以是一个树形结构，树的根节点就是GC Roots，是垃圾回收器的起点，如果一个节点没有任何子节点与根节点相连，那这个节点就被认为是不可达的，可以被回收器回收。

举个例子，将GC Roots比喻成一座城市，城市中有很多建筑物，这些建筑物就是内存中的对象，GC Roots就像城市的卫生局、消防局等，它们直接或间接地与城市中的建筑物相连，从这些机构出发，通过道路、桥梁等连接，最终能够到达所有的建筑物，如果一个建筑物没有与这些机构相连，那么它就被认为是废弃的，可以被清理掉。

JVM中的GC Roots对象包括以下几种：

1）虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象。

2）方法区中类静态属性引用的对象。JDK 1.7 开始静态变量的存储从方法区移动到堆中，比如你定义了一个static 的集合对象，那里面添加的对象就是可以被GC Root可达的

3）方法区中常量引用的对象。字符串常量池从 JDK 1.7 开始由方法区移动到堆中，本地方法栈中JNI（即一般说的Native方法）引用的对象。

小技巧：由于GC Roots采用栈方式存放变量和指针，如果一个指针它保存了堆内存里面的对象，但是自己又不能存放在堆内存里面，那么它就是一个GC Roots。

代码举例

public class GCTest {
    public static void main(String[] args) {
        Product product = new Product("CSDN AI工具");
        product = null;
    }
}

//product 是栈帧中的本地变量，指向了 title = springboot 这个 Product 对象
//当product = null; 由于此时 当product 充当了 GC Root 的作用，当product 与原来指向 当product 对象断开了连接
// 所以这个 new Product("CSDN AI工具") 对象会被回收

对象回收的关键知识点

标记对象可回收就一定会被回收吗？

不一定会回收，对象的finalize方法给了对象一次最后一次存活的机会。当对象不可达（可回收）并发生 GC 时，会先判断对象是否执行了 finalize 方法，如果未执行则会先执行 finalize 方法。前对象与 GC Roots 关联，执行 finalize 方法之后，GC 会再次判断对象是否可达，如果不可达，则会被回收，如果可达，则不回收！需要注意的是 finalize 方法只会被执行一次，如果第一次执行 finalize 方法，对象变成了可达，则不会回收，但如果对象再次被 GC，则会忽略 finalize 方法，对象会被直接回收掉！

可达性分析算法为什么可以解决循环引用造成的内存泄漏问题？

当两个或多个对象相互引用时，它们的引用链会形成一个环，但是由于这个环中的对象与GC Roots没有任何引用链相连，所以JVM会将这些对象判定为不可用的，从而回收它们。如下图所示。

垃圾回收算法

标记-清除算法原理

是一种常见的垃圾回收算法，它的基本思路是分为两个阶段：标记阶段和清除阶段。

在标记阶段，垃圾回收器会从一些GC Roots对象开始，遍历整个对象图，标记所有被引用的对象。被标记的对象会被打上标记，表示这些对象是“活”的对象，需要保留下来，未被标记的对象就是垃圾对象，可以被回收。

在清除阶段，垃圾回收器会对所有未被标记的对象进行回收。

其优点在于可以回收不连续的内存空间。其缺点也较为明显，标记和清除两个步骤，都需要垃圾回收器遍历整个对象图，耗费时间较长，会产生内存碎片，当频繁进行垃圾回收时，内存碎片会越来越多导致可用内存空间不足，从而影响程序的性能和稳定性。

该算法应用场景应用在实际应用中，标记清除法一般用于不需要频繁进行垃圾回收的场景，比如在Java堆中大对象的分配和回收。其实后续的收集算法大多都是以标记-清除算法为基础，对其缺点进行改进。

标记-复制算法原理

是一种常见的垃圾回收算法，它的基本思路是将Java堆分为两个区域：一个活动区域和一个空闲区域。在垃圾回收过程中，首先标记所有被引用的对象，然后将所有被标记的对象复制到空闲区域中，最后交换两个区域的角色，完成垃圾回收。

详细实现步骤：

1）将Java堆分为两个区域：一个活动区域和一个空闲区域。初始时，所有对象都分配在活动区域中；

2）从GC Roots对象开始，遍历整个对象图，标记所有被引用的对象；

3）对所有被标记存活的对象进行遍历，将它们复制到空闲区域中，并更新所有指向它们的引用，使它们指向新的地址；

4）对所有未被标记的对象进行回收，将它们所占用的内存空间释放；

5）交换活动区域和空闲区域的角色，空闲区域变为新的活动区域，原来的活动区域变为空闲区域；

6）当空闲区域的内存空间不足时，进行一次垃圾回收，重复以上步骤。

其优点在于，如果内存中的垃圾对象较多，需要复制的对象就较少，则效率高，清理后，内存碎片少。其缺点也不少，虽然标记复制算法的效率较高，但是预留一半的内存区域用来存放存活的对象，占用额外的内存空间。如果出现存活对象数量比较多的时候，需要复制较多的对象效率低，假如是在老年代区域，99%的对象都是存活的，则性能低，所以老年代不适合这个算法。

该算法应用场景应用在新生代的垃圾回收，因此需要对新生代的对象进行分代管理，虚拟机多数采用这个算法，对新生代进行内存管理，因为多数这个新生代区域的存活对象数量少。国外有公司统计过多数业务，98%撑不过一次GC，所以不用1:1比例分配新生代的空间。

这么分配的原因在于，当发生GC时, 将Eden和Survivor中存活对象一次性复制到另外一块Survivor空间上，然后清理掉Eden和已用过的那块Survivor空间，每次新生代中可用内存空间为整个新生代容量的90% (Eden的80% + Survivor的 10%) ，只有一个Survivor空间，即10%的新生代是会被浪费而已。