垃圾收集器与内存分配策略

最新推荐文章于 2025-04-28 23:54:52 发布

chunhewang

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分类专栏：学习笔记-深入理解Java虚拟机

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1、引用计数算法（Reference Counting）

基本思想：给对象中添加一个引用计数器，每当有一个地方引用引用它时，计数值就加1；当引用失效是，计数值就减1；任何时刻计数器都为0的就是不可能再被使用的。

Python语言是使用进行内存管理。注： java语言中没有引用计数算法来管理内存，其中主要原因是他很难解决对象之间的相互循环引用的问题。

2、跟搜索算法（GC Roots Tracing）

基本思想：通过一系列的名为“GC Roots”的对象作为起点，从这些节点开始向下搜索，搜索所走的路径为引用连（Reference Chain）, 当一个对象到GC Roots 没有任何引用链相连（用图论的话来说就是从 GC Roots 到这个对象不可达）如下图所示，对象 object 5、object 6、object 7 虽然有关联，但是它们到GC Roots是不可到达的，所以它们将会被判定为是可回收的对象。

在Java语言里，可作为GC Roots 的对象包括下面几种：

1）、虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象。

2）、方法区中的类静态属性饮用对象。

3）、方法区中的常量引用的对象。

4）、本地方法栈中JNI( 即一般说的Native方法 ) 的引用的对象。

3、再谈引用

在JDK1.2之后，Java对引用的概念进行扩充，将引用分为以下四种

强引用（Strong Reference） 就是指在程序代码中普遍存在，类似“ Object obj = new Object( ) ”这类的引用，只要强引用还存在，垃圾收集器永远不会回收掉被引用的对象。

软引用（Soft Reference）用来描述一些还有用，淡滨非必须的对象。对软引用关联着的对象，在系统中将要发生内存溢出异常之前，将会把这些对象列进第二次回收。如果这次回收还是没有足够的内存，才会抛出内存异常。在JDK1.2之后，提供了 SoftReference 类来实现软引用。

弱引用（Weak Reference）用来描述非必须对象，但是它的强度比软引用更弱一些，被弱引用关联的对象只能生存到下一次垃圾收集器发生之前。当垃圾收集器工作时，无论当前内存是否足够，都会回收掉只弱引用关联的对象。在JDK1.2之后，提供 WeakReference 类来实现弱引用。

虚引用（Phantom Reference） 也称作幽灵引用或者幻影引用，它是最弱的一种引用关系。一个对象是否有虚引用的存在，完全不会对其生存时间构成影响，也无法通过虚引用来取得一个对象的实例。为一个对象设置虚引用关联的唯一目的就是希望能在这个对象被收集时收到一个系统的通知。在JDK 1.2之后，提供了PhantomReference来实现虚引用。

4、回收方法区

很多人认为方法区（HotSpot虚拟机中的永久代）是没有垃圾回收集的，Java虚拟机规范不要求虚拟机在方法去实现垃圾收集，而且在方法区进行垃圾收集的“性价比”一般比较低：在堆中，尤其是在新生代中，常规应用进行垃圾收集一般可以到达70%~90%的空间，而在永久代的垃圾收集效率远与此。

废弃常量：当前系统中没有任何引用。

无用的类：1）该类的所有的实例都已经被回收，也是就Java堆中不存在该类的任何实例。

2）加载该类的ClassLoader已经被回收。

3）该类对应的java.lang.Class对象没有在任何地方引用，无法在任何地方通过发射访问该类的方法。

虚拟机可以对满足上述的3个条件的无用类进行回收，这里说的是“可以”，而不是和对象一样，不使用了就必然回收。

5、垃圾回收算法

标记-清除算法

算法分为“标记”和“清除”两个阶段：首先标记处所有需要回收的对象，在标记完成后统一回收掉所有被标记的对象。它的主要两个缺点有两个：一个是效率问题，标记和清除过程的效率都不高；另一个问题是空间问题，标记清除之后会产生大量的不连续的内存碎片，空间碎片太多可能会导致，当程序在以后运行过程中需要分配较大对象是无法找到足够的连续内存而不得不提前触发另一次垃圾收集动作。执行过程如下图：

复制算法

它将可用内存按容量划分为大小相等的两块，每次使用其中的一块。当这一块的内存用完了，就讲还存活着的对象赋值到另一块上面，然后再把已使用过的内存空间一次清理掉。这样使得每次都是对其中的一块进行内存回收，内存分配时也就不用考虑内存碎片等复杂情况，只要移动对顶指针，按顺序分配内存即可，实现简单，运行傲笑。只是这种算法代价是将内存缩小为原来的一般。执行过程如下图：

标记-整理算法

复制收集算法在对象存活率较高时就要执行较多的复制操作，效率将会变低。更关键的是，如果不休昂浪费50%的空间，就需要额外的空间进行分配担保，以应对被使用的内存都100%存活的极端情况，所以老年代一般不能直接选用这种算法。

“标记-整理算法”中的标记过程仍然与“标记-清除算法”一样，但后续步骤不是直接对回收对象进行清理，而是让所有存活的对象都想一端移动，然后直接清理掉端边界意外的内存。执行过程如下图：

分代收集算法

根据对象的存活周期的不同将内存划分为几块。一般是把java堆分为新生代和老年代，这样就可以根据各个年代的特点采用最合适的收集算法。在新生代中，每次垃圾收集时都发现有大批对象死去，只有少量存活，那就选用复制算法，只需要付出少量存活对象的复制就可以完成收集。而老现代中因为对象存活率高、没有额外空间对他进行分配担保，就必须使用“标记-清理算法”或“标记-整理算法”来进行回收。

6、垃圾收集器

如果说收集算法是内存回收的方法论，垃圾收集器就是内存回收的具体实现。Java虚拟机规范中对垃圾收集器因该如何实现没有规定。这里讨论的收集器基于SunHotSpot虚拟机1.6版

Serial收集器

Serial收集器是最基本、历史最悠久的收集器曾经（在JDK1.3.1之前）是虚拟机新生代收集的唯一选择。该收集器是单线程收集器，在它进行垃圾收集时，必须暂定其他所有的工作线程，直到它收集结束。这项工作实际上是有虚拟机在后台自动发起和自动完成的。运行图如下：

Serial收集器是虚拟机运行在Client模式下的默认新生代收集器。它的优点是简单而高效。

ParNew收集器

ParNew收集器是Serial收集器的多线程版本，除了使用多条线程进行垃圾收集之外，其余行为都与Serial收集器完全一样。执行过程如下图：

由于存在线程的开销，该收集器在通过超线程技术实现的两个CPU的环境中都不能百分之百地保证Serial收集器。

Parallel Scavenge收集器

Parallel Scavenge收集器是一个新生收集器，使用复制算法，是并行的多线程收集器。Parallel Scavenge收集器的目标是达到一个可控制的吞吐量。

吞吐量 = 运行用户代码时间 / （运行用户代码时间 +　垃圾收集时间）。

Serial Old 收集器

Serial Old是Serial收集器的老年代版本，是一个单线程收集器，使用“标记-整理算法”。该收集器主要是在Client模式下的虚拟机使用。运行图如下：

Parallel Old 收集器

Parallel Old 是Parallel Scavenge收集器的老年代版本，使用多线程和“标记-整理算法”运行如下图

CMS收集器

CMS收集器是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器。该收集器是基于“标记-清除算法”。它的运作过程分别为初始标记、并发标记、重新标记、并发清除。

初始标记仅仅是标记一下GC Roots能直接关联到的对象，速度快，并发标记阶段就是进行GC Root Tracing 过程，而重新标记阶段则是为了修正并发标记期间，因用户继续运作而导致标记产生变动的那一部分对象的标记记录，这个阶段的顶盾时间一般会比初始标记阶段稍长一些，但远比并发标记的时间短。

由于整个过程中耗时最长的并发标记和并发清除过程中，收集器线程都可以与用户线程一起工作，所以总体上来说，CMS收集器的内存回收过程是与用户线程一起并发的。

G1收集器

G1收集器是当前收集技术发展的最前沿成果。该收集器是基于“标记-整理算法”实现的，同时可以非常精确的控制停顿。G1将整个java堆（包括新生代、老年代）划分为多个大小固定的独立区域，并且跟踪这些区域里面的垃圾堆积程度，后台维护一个优先雷彪，每次根据允许的收集时间，优先收集垃圾最多的区域。区域划分及有优先级的区域回收，保证G1收集器在有限时间内可以获得最高的收集效率。