深入理解JVM垃圾收集机制：从算法到实践

深入理解JVM垃圾收集机制：从算法到实践

jvm 🤗 JVM 底层原理最全知识总结 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/jvm9/jvm

前言

Java虚拟机(JVM)的垃圾收集(GC)机制是Java语言的核心特性之一，它自动管理内存分配与回收，极大减轻了开发者的负担。本文将深入探讨JVM中的垃圾收集策略与算法，帮助开发者更好地理解内存管理的底层原理。

内存区域与垃圾收集

在JVM中，不同的内存区域有着不同的生命周期管理方式：

1. 线程私有区域：程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈

   • 这些区域随线程创建而分配，随线程结束而回收
   • 内存管理具有确定性，不需要专门的垃圾收集

2. 共享区域：Java堆和方法区

   • 这些区域的内存分配和回收都是动态的
   • 垃圾收集器主要关注这些区域

对象存活性判定

判断对象是否存活是垃圾收集的基础，主要有两种方法：

1. 引用计数法

原理：

• 每个对象维护一个引用计数器
• 被引用时计数器加1，引用失效时减1
• 计数器为0时判定为可回收

优缺点：

• 实现简单，判定效率高
• 无法解决循环引用问题
• 多线程环境下同步开销大

示例场景：

class Obj {
    Object instance;
}

Obj objA = new Obj();
Obj objB = new Obj();
objA.instance = objB;
objB.instance = objA;
// 此时即使外部不再引用objA和objB，它们的计数器也不为0

2. 可达性分析法

原理：

• 通过GC Roots作为起点进行对象图遍历
• 能被遍历到的对象是存活的，否则可回收

GC Roots包括：

• 虚拟机栈中引用的对象
• 本地方法栈中引用的对象
• 方法区中常量引用的对象
• 方法区中类静态属性引用的对象

优势：

• 有效解决了循环引用问题
• 是现代JVM的主流实现方式

Java引用类型详解

JDK1.2后，Java将引用分为四种类型，为内存敏感型应用提供了更灵活的控制：

| 引用类型 | 强度 | 回收时机 | 典型用途 | |---------|------|---------|---------| | 强引用 | 最强 | 从不回收 | 普通对象引用 | | 软引用 | 次强 | 内存不足时回收 | 缓存实现 | | 弱引用 | 较弱 | 下次GC时回收 | 缓存、弱引用集合 | | 虚引用 | 最弱 | 随时可能回收 | 对象回收跟踪 |

使用建议：

• 大多数情况下使用强引用即可
• 实现缓存时考虑软引用或弱引用
• 虚引用主要用于特殊场景的对象回收跟踪

对象回收过程

finalize()方法机制

1. 判定阶段：

   • 检查对象是否覆盖了finalize()
   • 检查finalize()是否已被调用过

2. 执行阶段：

   • 符合条件的对象进入F-Queue队列
   • 低优先级执行finalize()方法
   • 不保证方法执行完成

3. 重生或死亡：

   • 若在finalize()中重新建立引用链，对象重生
   • 否则被回收

重要限制：

• 每个对象的finalize()只会被调用一次
• 不推荐依赖finalize()进行资源回收

方法区回收

方法区主要回收两类数据：

1. 废弃常量

• 判定标准：常量池中的常量不再被任何地方引用
• 回收时机：垃圾收集时

2. 无用的类

• 判定条件严格：
  • 类的所有实例已被回收
  • 加载该类的ClassLoader已被回收
  • 类的Class对象没有被任何地方引用

实际应用：

• 类卸载条件苛刻，实践中很少发生
• 动态生成类(如动态代理)的场景可能触发

垃圾收集算法详解

1. 标记-清除算法

工作流程：

1. 标记阶段：遍历GC Roots标记存活对象
2. 清除阶段：回收未标记对象

优缺点：

• 优点：实现简单
• 缺点：
  • 效率问题：标记和清除过程效率都不高
  • 空间问题：产生内存碎片

2. 复制算法

优化版本：

• 将堆分为Eden和两个Survivor区(8:1:1)
• 每次使用Eden和一个Survivor
• 存活对象复制到另一个Survivor

分配担保机制：

• 当Survivor空间不足时
• 通过老年代进行分配担保
• 存活对象直接进入老年代

3. 标记-整理算法

工作流程：

1. 标记阶段：同标记-清除
2. 整理阶段：移动存活对象使其紧凑排列

适用场景：

• 老年代垃圾收集
• 对象存活率高的场景

4. 分代收集算法

设计思想：

• 根据对象生命周期划分内存区域
• 对不同代采用最适合的算法

典型实现：

• 新生代：复制算法
• 老年代：标记-清除或标记-整理

优势：

• 结合各算法优点
• 针对不同特点区域优化

实践建议

1. 对象创建：

   • 避免创建过多短命对象
   • 合理使用对象池

2. 引用使用：

   • 及时清除无用引用
   • 合理使用软/弱引用

3. finalize()：

   • 避免重载finalize()
   • 使用try-with-resources等机制替代

4. 内存监控：

   • 关注GC日志
   • 监控内存使用情况

总结

理解JVM垃圾收集机制对于编写高性能Java应用至关重要。通过本文，我们深入探讨了从对象存活性判定到各种垃圾收集算法的实现原理。掌握这些知识不仅能帮助开发者优化应用性能，还能在出现内存问题时快速定位原因。

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