JVM垃圾回收机制详解

什么是垃圾回收

在JAVA中，垃圾回收（GC）是指一种自动的内存管理机制。当堆上的对象不再被引用时，JVM垃圾收集器就会回收这些对象，以此释放内存空间。

JVM内存模型

JVM将虚拟机分为5大区域，程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈、java堆、方法区；

在上面这些区域中，程序计数器、虚拟机栈和本地方法栈都是线程私有的；

而堆和方法区是所有线程共享的一块内存，几乎所有对象的实例和数组都要在堆上分配内存，所以这块区域经常发生垃圾回收；方法区则用来存放已被加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码数据，而一般我们称之为持久代。

由于JVM采用的是分代回收的算法，也就是根据对象的生命周期进行分代存储和回收，所以JVM将堆内存分为年轻代、老年代和永久代；而年轻代中又分为伊甸区和幸存区。

如何判断一个对象是否存活

在了解垃圾回收的算法之前，我们先来看看JVM是如何判断一个对象是否存活的；

引用计数法

引用计数法会给每个对象设置一个引用计数器，当有一个地方引用到了这个对象时，计数器就会+1，而引用失效时，计数器会-1；当引用计数器变为0的时候，就说明这个对象没有被引用，也就是垃圾对象，它就会等待回收。

这种方式虽然简单明了，但是也存在缺点，如果当两个对象循环依赖的时候，这两个对象的引用计数器永远不可能为0，也就无法回收，所以引用计数器只出现在早期的JVM中，现在基本不再使用了。

可达性分析法

可达性分析法的核心思想是标记一些根对象(GC Roots)，然后从根对象出发，一步步遍历和根对象有引用关系的对象，从而形成引用链。而不在这些引用链上的就称之为不可达对象。

而在JAVA中能称之为根对象(GC Roots)的一般有一下几种：

• 虚拟机栈中引用的对象
• 方法区类静态属性引用的变量
• 方法区常量池引用的对象
• 本地方法栈JNI引用的对象

而满足以上条件的对象不一定马上被回收，还会进行两次标记，这边我们继续往下看。

垃圾回收算法

现在我们已经了知道了如何判断对象是否存活，接下来我们来看下JAVA中的垃圾回收算法。

标记清除法

标记清除法，顾名思义先会通过可达性分析法去遍历内存，把存活对象和垃圾对象进行标记；然后在此遍历内存并标记对象，将垃圾对象回收。

而这个算法正如上面的图那样，缺点很明显，会产生内存碎片，这样就会导致之后需要存放大对象时没有足够的连续分片，而不得不再次GC。

标记整理法

而为了解决内存碎片的问题，标记整理算法就诞生了，标记整理算法的第一步也是遍历内存进行标记，第二部会将所有存活的对象向一端移动，然后将端边界外的对象全部回收。

这个算法的有点是可以解决内存碎片的问题，不过也存在缺点，就是移动的代价很大，对于现在动辄几十G的内存空间，移动对象相当的耗费资源。

复制算法

无论是标记清除法还是标记整理法，都会有存在开销或者内存碎片的问题，那么为了解决这两个问题，复制算法就出现了。

复制算法的核心是将内存按照容量大小分为大小相等的两块，每次只使用一块，当一块使用完了，就将还存活的对象移到另一块上，然后在把使用过的内存空间移除。

这样同时解决了内存碎片和句柄开销的问题，但是由于需要两倍的内存，导致内存的利用率变低了。

分代收集算法

而在JVM中，结合了多种垃圾回收算法，根据内存对象的存活周期不同，将内存划分成几块：新生代和老生代；在新生代中，有大量对象死去和少量对象存活，所以采用复制算法，第一次会将E区+S0区的存活对象复制到S1区，然后将E区+S0区清空，第二次会将E区+S1区的存活对象复制到S0区，然后将E区+S1区清空，以此循环往复，所以只需要付出少量存活对象的复制成本就可以完成收集；老年代中因为对象的存活率极高，没有额外的空间对他进行分配担保，所以采用标记清理或者标记整理算法进行回收；

垃圾收集器

在讲完了”垃圾”识别算法和”垃圾”回收算法，我们再来讲讲算法的执行者，也就是垃圾收集器。

垃圾收集器的类型

垃圾收集器主要分为下面四种类型：

1. 串行垃圾回收器(Serial Garbage Collector)；
2. 并行垃圾回收器(Parallel Garbage Collector)；
3. 并发标记扫描垃圾回收器(CMS Garbage Collector)；
4. G1垃圾回收器(G1 Garbage Collector)。

JVM中的垃圾收集器

而在JVM中垃圾收集器主要有一下七种：

• Serial：单线程的收集器，收集垃圾时，必须STW(stop the world)，使用复制算法。由于它在垃圾回收时会STW，所以对于有些应用是难以接受的，但是如果应用的实时性要求不是那么高，只要停顿的时间控制在N毫秒之内，大多数应用还是可以接受的，是客户端的默认GC方式。
• ParNew：Serial收集器的多线程版本，也需要STW。
• Parallel Scavenge：新生代收集器，复制算法的收集器，并发的多线程收集器，目标是达到一个可控的吞吐量，和ParNew的最大区别是GC自动调节策略；虚拟机会根据系统的运行状态收集性能监控信息，动态设置这些参数，以提供最优停顿时间和最高的吞吐量；
• Serial Old：Serial收集器的老年代版本，单线程收集器，使用标记整理算法。
• Parallel Old：是Parallel Scavenge收集器的老年代版本，使用多线程，标记-整理算法。
• CMS：是一种以获得最短回收停顿时间为目标的收集器，标记清除算法，运作过程：初始标记，并发标记，重新标记，并发清除，收集结束会产生大量空间碎片；
• G1：标记整理算法实现，运作流程主要包括以下：初始标记，并发标记，最终标记，筛选回收。不会产生空间碎片，可以精确地控制停顿；G1将整个堆分为大小相等的多个Region（区域），G1跟踪每个区域的垃圾大小，在后台维护一个优先级列表，每次根据允许的收集时间，优先回收价值最大的区域，已达到在有限时间内获取尽可能高的回收效率；

垃圾回收的时机

垃圾回收一般分为两种：Minor GC和Full GC。

Minor GC：只会收集年轻代，在伊甸区满时，会触发。

Full GC：收集整个堆，包括新生代，老年代和永久代。

Full GC触发条件：

• 通过Minor GC后进入老年代的平均大小大于老年代的可用内存；
• 老年代空间不够分配新的内存；
• 在年轻代进行复制清理是，如果对象大于S0或者S1区，就会把该对象转存到老年代，且老年代的可用内存小于该对象大小。
• 调用System.gc时，系统建议执行Full GC，但是不必然执行。