JVM 垃圾回收相关概念

于 2023-05-17 13:00:22 发布
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分类专栏： Java JVM 垃圾回收 文章标签： jvm java
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本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/hn_lzh2014/article/details/130715122
文章详细介绍了Java中的System.gc()调用及其对垃圾回收的影响，强调了手动触发GC的不推荐做法。讨论了内存溢出和内存泄漏的情况，以及如何识别和防止它们。此外，还涵盖了Stop-The-World事件、并发与并行垃圾回收的概念，以及强引用、软引用、弱引用和虚引用的区别和作用。

摘要生成于 C知道 ，由 DeepSeek-R1 满血版支持， 前往体验 >

System.gc() 的理解

  • 在默认情况下，通过 System.gc() 或者 Runtime.getRuntime().gc()的调用，会显示触发 Full GC, 同时堆老年代和新生代进行回收，尝试释放被丢弃对象占用的内存
  • 然而 System.gc() 调用附带一个免责声明，无法保证堆垃圾收集器的调用，仅仅提醒
  • JVM 实现者可以通过 System.gc() 调用来决定 JVM 的 GC 行为。而一般情况下，垃圾回收应该是自动进行的，无法手动触发，否则就太过于麻烦了。在一些特殊情况下，比如我们正在编写一个性能基准，我们可以在运行之间调用 System.gc()

示例代码一:

public class SystemGCTest {
    public static void main(String[] args) {
        new SystemGCTest();
        System.gc();    // 提醒 JVM 的垃圾回收器执行 gc,但是不确定是否马上执行gc Runtime.getRuntime().gc();
        System.runFinalization(); // 强制调用使用引用对象的 finalize() 方法
    }

    @Override
    protected void finalize() throws Throwable {
        super.finalize();
        System.out.println("SystemGCTest 重写了 finalize()");
    }
}

示例代码二:

public class LocalVarGC {
    public void localVarGC1(){
        byte[] buffer = new byte[10 * 1024 * 1024];
        System.gc();
    }
    public void localVarGC2(){
        byte[] buffer = new byte[10 * 1024 * 1024];
        buffer = null;
        System.gc();
    }

    public void localVarGC3(){
        {
            byte[] buffer = new byte[10 * 1024 * 1024];
        }
        System.gc();
    }

    public void localVarGC4(){
        {
            byte[] buffer = new byte[10 * 1024 * 1024];
        }
        int value = 10;
        System.gc();
    }

    public void localVarGC5(){
        localVarGC1();
        System.gc();
    }

    public static void main(String[] args) {
        LocalVarGC local = new LocalVarGC();
        local.localVarGC5();
    }
}

内存溢出与内存泄漏

内存溢出(OOM):

  • 由于 GC 一直在发展，所有一般情况下，除非应用程序占用的内存增长速度非常快，造成垃圾回收已经跟不上内存消耗的速度，否则不太容易出现 OOM 的情况
  • 大多数情况下，GC会进行各种年龄段的垃圾回收，实在不行就放大招，来一次独占式的 Full GC 操作，这时候会回收大量的内存，供应用程序继续使用
  • 没有空闲内存，并且垃圾收集器也无法提供更多内存
  • 在抛出 OutOfMemoryError 之前，通常垃圾收集器会被触发，尽其所能去清理出空间，例如:在引用机制中，涉及到JVM 会尝试回收软引用指向的对象，在java.nio.BITs.reserveMemory() 方法中，我们能清晰的看到,System.gc() 会被调用，以清理空间。
  • 不触发垃圾收集器的情况就是分配超大对象

Java 虚拟机的堆内存不够原因:

  • Java 虚拟机的堆内存设置不够，可能是内存泄漏问题，也有可能就是堆的大小不合理
  • 代码中创建了大量大对象，并且长时间不能被垃圾收集器回收(存在被引用)

内存泄漏:

  • 只要对象不会再被程序用到了，但是 GC 又不能回收他们的情况，才叫内存泄漏
  • 但实际情况很多时候一些不太好的实践(或疏忽)会导致对象的生命周期变得很长，甚至导致 OOM，也可以叫做宽泛意义上的"内存泄漏"
  • 尽管内存泄漏并不会立刻引起程序崩溃，但是一旦发生内存泄漏，程序中的可用的内存就会被逐渐蚕食，直至耗尽所有内存，最终出现 OutOfMemory 异常
  • 这里的存储空间并不是指物理内存，而是指虚拟内存大小，这个虚拟内存大小取决于磁盘交换区设定的大小

内存泄漏案例:

  • 单例模式:单例的生命周期和应用程序是一样长的，所以单例程序中，如果持有对外部对象的引用的话，那么这个外部对象是不能被回收的，则会导致内存泄漏发生
  • 一些提供 close 的资源未关闭导致内存泄漏：数据库连接 (dataSource.getConnection()), 网络连接(socket)和 io 连接必须手动 close，否则是不能被回收的

Stop The World

  • 指的是 GC 事件发生过程中，会产生应用程序的停顿。停顿产生时整个应用程序线程都会被暂停，没有任何响应，有点像卡死的感觉，这个停顿称为 STW
  • 可达性分析算法中枚举根节点(GC Roots) 会导致所有 Java 执行程序停顿。分析工作必须在一个能确保一致性的快照中进行。一致性指整个分析期间整个执行系统看起来像被冻结在某个事件上。如果出现分析过程中对象引用关系还在不断变化，则分析结果的准确性无法保证
  • 被STW 中断的应用程序线程会在完成 GC 之后恢复，频繁中断会让用户感觉像网速不快造成电影卡带一样，所以我们需要减少 STW 的发生
  • STW 事件和采用哪款GC无关，所有的 GC 都有这个事件，哪怕是 G1 也不能完全避免 Stop-the-world 情况发生，只是尽可能缩短暂停时间
  • STW 是 JVM 在后台自动发起和自动完成的。在用户不可见的情况下，把用户正常的工作线程全部停掉
  • 开发中不要用 System.gc(); 会导致 Stop-the-world 的发生

示例代码:

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class StopTheWorldDemo {
    public static class WorkThread extends Thread{
        List<byte[]> list = new ArrayList<>();

        public void run(){
            try {
                for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                    byte[] buffer = new byte[1024];
                    list.add(buffer);
                }
                if (list.size() > 10000) {
                    list.clear();
                    System.gc(); // 会触发 full gc 进而造成 stw 事件
                }
            }catch (Exception e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public static class PrintThread extends Thread{
        public final long startTime = System.currentTimeMillis();
        public void run(){
            try{
                while (true) {
                    long t = System.currentTimeMillis() - startTime;
                    System.out.println(t / 1000 + "." + t % 1000);
                    Thread.sleep(1000);
                }
            }catch (Exception ex){
                ex.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        PrintThread printThread = new PrintThread();
        WorkThread workThread = new WorkThread();
        printThread.start();
        //workThread.start();
    }
}

垃圾回收的并行与并发

基本概念：

并发: 在操作系统中，是指一个时间段有几个程序都处于已启动运行到运行完毕之间，且这几个程序都是在同一个处理器上运行，并发并不是真正意义的 "同时处理"，只是CPU 把一个时间段分成几个时间片段，在这几个时间段来回切换

并行(Parallel):当系统中有一个以上的 CPU时，当一个 CPU 执行一个进程时，另一个 CPU 可以执行另一个进程，两个进程互不抢占 CPU 资源，可以同时进行。并行因素不是 CPU 的数量，而是 CPU 的核心数量

垃圾回收:

并行(Parallel): 指多条垃圾收集线程并行工作，但此时用户线程仍处于等待状态。如 ParNew、Parallel Scavenge、Parallel Old

串行(Serial): 单线程执行。如果内存不够，则程序暂停，启动JVM 垃圾回收器进行垃圾回收。回收完，再启动程序的线程

并发(Concurrent): 指用户线程与垃圾收集线程同时执行，垃圾回收线程在执行时不会停顿用户程序的运行。用户程序继续执行，而垃圾收集程序运行另一个 CPU 上; 如 CMS、G1

安全点和安全区域 

安全点(Safepoint)：

程序执行时并非在所有地方都能停顿下来开始 GC，只有在特定的位置才能停顿下来开始 GC，这些位置称为 "安全点 Safepoint"

如果太少可能导致 GC 等待的时间太长，如果太频繁可能导致运行时性能问题。大部分指令的执行时间都非常短暂，通常会根据"是否具有让程序长时间执行的特征"为标准。比如选择方法调用、循环跳转或异常跳转等。

如何在 GC 发生时，检查所有线程都跑到最近的安全点停顿下来:

抢先式中断: 首先中断所有线程。如果还没有线程不再安全点，就恢复线程，让线程跑到安全点(目前没有虚拟机采用)

主动式中断: 设置一个中断标志，各个线程运行到 Safe Point 的时候主动轮询这个标志，如果中断标志为真，则将自己运行中断挂起

安全区域(Safe Region):

  • 主要解决线程处于 Sleep 状态或者 Blocked 状态，这个时候无法响应 JVM 的中断请求
  • 安全区域是指在一段代码片段中，对象的引用关系不会发生变化，在这个区域中任何位置开始 GC都是安全的

实际执行:

  • 当线程运行到 Safe Region 的代码时，首先表示已经进入了 Safe Region，如果这段时间内发生 GC，JVM 会忽略标识为 Safe Region 状态的线程
  • 当线程即将离开 Safe Region 时，会检查 JVM 是否已经完成 GC，如果完成了，则继续运行，否则线程必须等待直到收到可以完全离开 Safe Region 的信号为止

强引用(StrongReference)

  • 是指在程序代码中普遍存在的引用赋值，即类似 "Object obj = new Object()" 这种引用关系。无论在任何情况下，只要强引用关系还存在，垃圾收集器就永远不会回收掉被引用的对象
  • 强引用是可触及的
  • 对于一个普通的对象，如果没有其他的引用关系，只要超过了引用的作用域或者显式地将相应(强)引用赋值为 null, 就是可以当做垃圾被收集了，当然具体回收时机还是要看垃圾收集策略
  • 强引用是造成内存泄漏的主要原因
public class StrongReferenceTest {
    public static void main(String[] args) {
        StringBuffer str = new StringBuffer("hello, doubily");
        StringBuffer str1 = str;

        str = null;
        System.gc();
        try {
            Thread.sleep(3000);
        }catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println(str1);
    }
}

软引用(SofeReference)

  • 在系统将要发生内存溢出之前，将会把这些对象列入回收范围之中进行第二次回收。如果这次回收后还没有足够的内存，才会抛出内存溢出异常
  • 软引用通常用来实现内存敏感的缓存。比如:高速缓存就是用到软引用。如果还有空闲内存，就可以暂时保留缓存，当内存不足时清理掉，这样就保证了使用缓存的同时，不会耗尽内存
  • 垃圾回收器在某个时刻决定回收软可达的对象的时候，会清理软引用，并可选地把引用存放到一个引用队列(Reference Queue)
import java.lang.ref.SoftReference;

/**
 * VM 设置为: -Xmx10m -Xms10m
 */
public class SofeReferenceTest {
    public static class User{
        public int id;
        public String name;

        public User(int id, String name) {
            this.id = id;
            this.name = name;
        }

        @Override
        public String toString() {
            return "User{" +
                    "id=" + id +
                    ", name='" + name + '\'' +
                    '}';
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        SoftReference<User> userSoftRef = new SoftReference<User>(new User(1, "doubily"));
        System.out.println(userSoftRef.get());

        System.gc();
        System.out.println("After GC");

        // 垃圾回收之后获得软引用中的对象
        System.out.println(userSoftRef.get()); // 堆空间足够，不会回收软引用

        try {
            // 让系统认为内存资源紧张，不足或者紧张
            byte[] b = new byte[1024 * 7168 - 634 * 1024];
        }catch (Throwable e){
            e.printStackTrace();
        }finally {
            // 再次从软引用中获取数据
            System.out.println(userSoftRef.get()); // 再报 OOM 之前，垃圾回收软引用可达对象
        }
    }
}

弱引用(WeakReference)

  • 用来描述那些非必须对象，被弱引用关联的对象只能发生到下一次垃圾收集之前。当垃圾收集器工作时，无论内存空间是否足够，都会回收掉被弱引用关联的对象
  • 由于垃圾回收器的线程通常优先级很低，因此，并不一定能很快地发现持有弱引用的对象。在这种情况下，弱引用对象可以存在较长的时间
  • 弱引用和软引用一样，在构造弱引用时，也可以指定一个引用队列，当弱引用对象被回收时，就会加入指定的引用队列，通过这个队列可以跟踪对象的回收情况
  • 软引用、弱引用都非常适合来保存那些可有可无的缓存数据
import java.lang.ref.SoftReference;
import java.lang.ref.WeakReference;

public class SofeReferenceTest {
    public static class User{
        public int id;
        public String name;

        public User(int id, String name) {
            this.id = id;
            this.name = name;
        }

        @Override
        public String toString() {
            return "User{" +
                    "id=" + id +
                    ", name='" + name + '\'' +
                    '}';
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        
        // 构造了弱引用
        WeakReference<User> userWeakRef = new WeakReference<>(new User(1, "doubily"));
        
        // 从弱引用中重新获取对象
        System.out.println(userWeakRef.get());
        
        System.gc();
        // 不管当前内存空间足够与否，都会回收它的内存
        System.out.println("after GC:");
        System.out.println(userWeakRef.get());
    }
}

虚引用(PhantomReference)

  • 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获得一个对象的实例。为一个对象设置虚引用关联的唯一目的就是能在这个对象被收集器回收时收到一个系统通知
  • 虚引用必须和引用队列一起使用。虚引用在创建时必须提供一个引用队列作为参数。当垃圾回收器准备回收一个对象时，如果发现它还有虚引用，就会在回收对象后，将这个虚引用加入引用队列，以通知应用程序对象的回收情况
import java.lang.ref.PhantomReference;
import java.lang.ref.ReferenceQueue;

public class PhantomReferenceTest {
    public static PhantomReferenceTest obj; // 当前类对象的声明
    static ReferenceQueue<PhantomReferenceTest> phantomQueue = null; // 引用队列

    public static class CheckRefQueue extends Thread{
        public void run(){
            while(true) {
                if (phantomQueue != null) {
                    PhantomReference<PhantomReferenceTest> objt = null;
                    try {
                        objt = (PhantomReference<PhantomReferenceTest>) phantomQueue.remove();
                    }catch (InterruptedException e){
                        e.printStackTrace();
                    }
                    if (objt != null) {
                        System.out.println("追踪垃圾回收过程: PhantomReferenceTest 实例被 GC了");
                    }
                }
            }
        }

    }

    @Override
    protected void finalize() throws Throwable {
        super.finalize();
        System.out.println("调用当前类的 finalize() 方法");
        obj = this;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Thread t = new CheckRefQueue();

        t.setDaemon(true); // 设置为守护线程，当程序中没有非守护线程时，守护线程也就执行结束
        t.start();

        phantomQueue = new ReferenceQueue<PhantomReferenceTest>();
        obj = new PhantomReferenceTest();

        // 构造虚引用
        PhantomReference<PhantomReferenceTest> phantomRef = new PhantomReference<>(obj, phantomQueue);
        try {
            // 不可获取虚引用的对象
            System.out.println(phantomRef.get());
            // 请引用取出
            obj = null;
            System.gc();
            Thread.sleep(10000);
            if (obj == null) {
                System.out.println("obj 是 null");
            } else {
                System.out.println("obj 可用");
            }
            System.out.println("第二次 gc");
            obj = null;
            System.gc();
            Thread.sleep(10000);
            if (obj == null) {
                System.out.println("obj 是 null");
            } else {
                System.out.println("obj 可用");
            }
        }catch (InterruptedException ex){
            ex.printStackTrace();
        }
    }
}

终结器引用

  • 它用以实现对象的 finalize() 方法，也可以称为终结器引用
  • 无需手动编码, 其内部配合引用队列使用
  • 在 GC时，终结器引用入队。由于 Finalizer 线程通过终结器引用找到被引用对象并调用它的 finalize() 方法，第二次 GC 时才能回收被引用对象
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