JVM（一）——GC，内存分配和垃圾回收

最新推荐文章于 2025-06-24 11:06:32 发布

Zerohuan

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分类专栏： Java基础知识梳理 JVM 文章标签： jvm java

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/Zerohuan/article/details/50451269

心得：Java中垃圾回收和内存可以实现高度的自动化，栈帧可以由JVM自动分配和回收，局部变量表和操作数栈也可以在编译时就确定好，堆中的内存分配和回收才是JVM关注的重点，JVM实现大多采用可达性分析来标记存活对象，什么时候标记？让用户线程主动跑到那些安全的地方（引用关系不变的时候，SafePoint和Safe Region），再由GC收集器来标记进行处理。

不同的垃圾收集器甚至可以决定堆的内存布局，比如G1的“化增为零”一方面借助Remember Set可以更细粒度的进行并发标记和回收。

分代是GC种重要的思想，对不同特点对象进行各自适合的回收策略，Minor GC一般是新生代采用Copying算法，“空间换时间”，也是因为新生代大部分对象“朝生夕死”；Full GC在老年代一般是Mark and Compact两个步骤，不用额外空间，但停顿长，可谓“用时间省空间”；

CMS和G1更是采用并行+并发的手段，但一个新的问题，就是并发期间的用户线程的内存开销（CMS和G1各有对应策略）和对象引用关系的变化，因此它们都有remark的过程。

总之，不同的场景用不同的技术，“知其然”的同时能够“知其所以然”才能在实际的场景下选择“对的”技术。

垃圾回收是一个复杂的系统问题，本人认识还是十分有限。。。

学习参考资料：
（1）《深入Java虚拟机》（第二版）；
（2）RednaxelaFX的回答—现代JVM中的Safe Region和Safe Point到底是如何定义和划分的?
（3）G1垃圾收集器入门
（4）我在知乎的提问（多谢RednaxelaFX大神的回答）
（5）CMS的原始论文：A Generational Mostly-concurrent Garbage Collector

一个小栗子（我在知乎的提问）

一个问题Java中的对象到底占多少内存？
JVM规范也不能回答这个问题，因为它是一个公有设计；

The Java Virtual Machine does not mandate any particular internal structure for objects.
看过书的同学应该都知道，对象由对象头+实例数据+padding组成；我利用Instrumentation做了一个小小的实验，基于64位JDK 8的Hotspot：

/*
        基本信息：对象内存布局，对象的大小
        注意：以HotSpot为例，Java中的对象内存布局包括：MarkWord，ClassPointer，实例数据，padding
        如果是数组还有数组长度；如果开启了字段压缩，会进行指针压缩，子类的窄变量会插入父类的宽变量之中
        */
        public static void main(String[] args) {
            //Object
            System.out.println(ClassUtils.sizeOf(new Object())); //16 8字节MarkWord，4字节klass指针，4字节padding
            //数组
            System.out.println(ClassUtils.sizeOf(new byte[0])); //16 8字节MarkWord，4字节klass指针，4字节数组长度
            System.out.println(ClassUtils.sizeOf(new byte[7])); //24 padding补齐
            System.out.println(ClassUtils.sizeOf(new byte[_1MB])); //1024 * 1024 + 16 = 1048592
            //窄对象
            System.out.println(ClassUtils.sizeOf(new Integer(1))); //16 int和klass补齐
            System.out.println(ClassUtils.sizeOf(new Byte("1"))); //16 byte和klass补齐
            System.out.println(ClassUtils.sizeOf(new Character('a'))); //16 char和klass补齐
        }

因为对象的大小一定是8的倍数，可以看到Hotspot很节省的将类型指针和数组长度或者int，byte，char合并保存了，而64位的Hotspot中reference的长度仍然是4个字节，一些博客上有说成8个字节的。

1. 确定回收对象

引用计数和可达性分析（counting和tracing）

前者通过对象的引用计数器来记录被引次数，显然的一个问题是循环引用；Java采用的是可达性分析；

从GC Roots出发，延引用链对对象进行搜索，没有任何引用链和GC Roots相连的对象就被成为不可达的，被判定为可回收的对象；

GC Roots（方法区和栈中）：
（1）虚拟机栈（栈帧中的局部变量表）；
（2）本地方法栈JNI引用的对象；
（3）方法区中类静态属性；
（4）方法区中常量引用；

引用类型

就像进程的状态不能由简单的运行和终止描述一样；引用也需要进行一步细分：

强引用：永远不会被回收掉的对象；
软引用：如果一次回收后，内存还是不足，才进行回收，如果再不够，OOM；
弱引用：发生GC时，无论内存是否足够都会被回收；
虚引用：程序不能引用到，但是被回收时可以收到一个通知；

一个很重要的应用就是缓存，在内存中缓存一定要注意防止内存泄漏，在Java Collection Framework中，容器在删除是都执行置空的操作；
另一个注意的是可以使用WeakHashMap作为缓存容器；如果不是WeakHashMap一定要控制数量和及时清除（Integer.valueOf等就控制了数量）；

终结（finalize）

从对象的可触及性来说还有2个状态：
可复活和不可触及（两次标记）：
在判定为不可达后：
（1）可复活：一次标记，对象分为没有必要执行finalize方法（包括没有覆盖和已经执行两种）和需要执行finalize方法，前者直接就可以被回收；
（2）有必要执行finalize的方法被放在F-Queue队列中，有JVM中一个低优先级的Finalizer线程去触发它们的finalize方法（不会等待方法结束），如果在finalize方法中对象有引用链建立了连接就会被“复活”，否则就Over；