《深入理解Java虚拟机：垃圾收集与内存分配策略》-优快云博客

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阅读完《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践（第3版）》的第三章后，我对Java的垃圾收集和内存分配策略有了更深入的理解。以下是我对这部分内容的总结：

一、概述

垃圾收集的重要性
- 内存管理的关键：垃圾收集是Java自动内存管理的核心，它负责回收不再使用的对象，释放内存空间，确保程序的正常运行。
- 性能优化的关键：合理的垃圾收集策略能显著提高程序的性能，减少内存占用，避免内存泄漏和溢出错误。
内存分配的特点
- 动态性：Java堆和方法区的内存分配是动态的，程序在运行时根据需要分配内存。
- 不确定性：不同对象的内存需求和生存周期难以预测，这增加了内存管理的复杂性。

二、对象存活判定

引用计数算法
- 原理：通过在对象中添加引用计数器，每当有引用指向对象时计数器加一，引用失效时计数器减一。计数器为零时，对象可被回收。
可达性分析算法
- 原理：从GC Roots开始，通过引用链搜索对象，如果对象到GC Roots没有引用链相连，则可被回收。
- GC Roots对象
  - 线程相关：包括虚拟机栈中局部变量表引用的对象、方法区中类静态属性引用的对象等。
  - 虚拟机内部：如基本数据类型对应的Class对象、一些常驻的异常对象等。
再谈引用
- 引用类型：Java中有强引用、软引用、弱引用和虚引用四种。
- 引用作用
  - 强引用：常见的引用类型，强引用存在时对象不会被回收。
  - 软引用：用于描述非必须对象，内存不足时会被列入回收范围。
  - 弱引用：比软引用更弱，对象生存到下一次垃圾收集。
  - 虚引用：主要用于对象回收时的系统通知。
生存还是死亡
- 两次标记过程
  - 第一次标记：对象在可达性分析后没有引用链相连会被第一次标记。
  - Finalize阶段：有必要执行finalize()方法的对象会被放置在F-Queue队列，由Finalizer线程执行该方法，但该方法执行存在不确定性且不推荐使用。
  - 第二次标记：执行finalize()方法后，对象进行第二次标记，若仍未逃脱则被回收。
回收方法区
- 回收内容：主要回收废弃的常量和不再使用的类型。
- 类型卸载条件
  - 实例回收：类的所有实例都被回收。
  - 类加载器回收：加载类的类加载器被回收。
  - Class对象引用：类对应的java.lang.Class对象没有被引用。

三、垃圾收集算法

分代收集理论
- 理论基础：基于对象的存活特性和垃圾收集成本提出，大多数对象朝生夕灭，老年代对象相对稳定，跨代引用较少。
- 分代假说
  - 弱分代假说：绝大多数对象生命周期短。
  - 强分代假说：熬过多次垃圾收集的对象更难消亡。
  - 跨代引用假说：跨代引用占比极少。
常见算法
- 标记 - 清除算法
  - 算法过程：标记出需要回收的对象，然后统一回收。
  - 缺点：执行效率不稳定，会产生内存碎片化。
- 标记 - 复制算法
  - 算法过程：将内存分为两块，使用其中一块，存活对象复制到另一块，然后清理原块内存。
  - 优点：实现简单，运行高效，但空间浪费大。
- 标记 - 整理算法
  - 算法过程：标记后移动存活对象，清理边界以外内存。
  - 特点：可避免内存碎片化，但实现复杂。

四、HotSpot的算法细节实现

根节点枚举：通过OopMap数据结构快速准确完成GC Roots枚举。
安全点与安全区域
- 安全点：具有让程序长时间执行特征的指令处产生安全点，如方法调用、循环跳转等。
- 安全区域：在引用关系不发生变化的区域进行垃圾收集是安全的。
记忆集与卡表
- 记忆集：用于记录非收集区域指向收集区域的指针集合。
- 卡表：记忆集的一种具体实现，通过字节数组记录内存块使用情况。
写屏障：用于维护卡表状态，在对象赋值时更新卡表。
并发的可达性分析
- 并发问题：用户线程与收集器并发工作可能导致对象消失问题。
- 解决方法：通过增量更新和原始快照避免对象消失。

五、经典垃圾收集器

收集器介绍
- Serial收集器：单线程工作，基础且历史悠久，适用于客户端应用。
- ParNew收集器：Serial的多线程并行版本，曾广泛用于服务端。
- Parallel Scavenge收集器：侧重于吞吐量优化，适用于后台运算。
- Serial Old收集器：Serial的老年代版本，用于客户端。
- Parallel Old收集器：Parallel Scavenge的老年代版本，支持多线程并发收集。
- CMS收集器：以获取最短回收停顿时间为目标，适用于对响应时间要求高的场景。
- Garbage First收集器：面向服务端应用，采用分代和区域回收方式。
特点与适用场景
- 特点：不同收集器在算法实现、性能特点上各有差异。
- 适用场景：根据应用程序特点和性能要求选择合适的收集器。

六、低延迟垃圾收集器

背景与目标
- 延迟问题：传统垃圾收集器在处理大规模数据和高并发请求时，可能导致长时间停顿，影响应用响应性能。
- 低延迟目标：实现毫秒级的垃圾收集停顿时间，提高应用程序的响应性能。
具体收集器
- Shenandoah收集器：由非Oracle开发，通过并发标记和整理实现低延迟。
- ZGC收集器：Oracle开发，采用染色指针技术和区域化内存布局。

七、选择合适的垃圾收集器

考虑因素
- 应用程序特点：包括性能要求、内存使用模式、并发程度等。
- 硬件资源：如处理器数量、内存大小等。
- JDK版本：不同JDK版本提供的收集器不同。
权衡与决策
- 性能指标：综合考虑内存占用、吞吐量和延迟等指标。
- 实验与测试：通过实验和测试选择最适合的收集器。

八、实战：内存分配与回收策略

基本原则
- 对象分配区域：对象优先在Eden区分配，大对象直接进入老年代，长期存活对象进入老年代。
- 分配担保：Minor GC前检查老年代空间是否满足新生代对象分配需求。
代码验证
- 实验设置：通过编写代码设置不同参数验证内存分配和回收策略。
- 实验结果：分析结果了解不同参数对内存分配和回收的影响。

以下是一些与本章内容相关的图片示例：

Java虚拟机运行时数据区
HotSpot虚拟机对象内存布局
垃圾收集算法示意图
- 标记 - 清除算法
- 标记 - 复制算法
- 标记 - 整理算法

九、进一步学习建议

深入理解算法原理
- 参考书籍：《垃圾回收算法手册：自动内存管理的艺术》详细介绍了各种垃圾收集算法的原理和实现细节。
- 实践练习：通过编写代码和分析内存日志，深入理解算法的工作原理和性能特点。
研究垃圾收集器实现
- 参考书籍：《Java虚拟机规范》提供了关于Java虚拟机实现的详细规范。
- 源码分析：分析HotSpot虚拟机的源码，了解垃圾收集器的具体实现细节。
性能优化实践
- 实际项目：在实际项目中应用不同的垃圾收集器和内存分配策略，进行性能测试和调优。
- 性能监控工具：学习使用JDK自带的jstat、jmap等工具监控应用程序的内存使用情况和垃圾收集性能。