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Java GC机制详解

编程SHA
 编程SHA
发布于 10/17 20:08
字数 5467
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垃圾收集 Garbage Collection 通常被称为“GC”,本文详细讲述Java垃圾回收机制。

导读:

1、什么是GC

2、GC常用算法

3、垃圾收集器

4、finalize()方法详解

5、总结--根据GC原理来优化代码

正式阅读之前需要了解相关概念:

Java 堆内存分为新生代和老年代,新生代中又分为1个 Eden 区域 和 2个 Survivor 区域。

一、什么是GC:

每个程序员都遇到过内存溢出的情况,程序运行时,内存空间是有限的,那么如何及时的把不再使用的对象清除将内存释放出来,这就是GC要做的事。

理解GC机制就从:“GC的区域在哪里”,“GC的对象是什么”,“GC的时机是什么”,“GC做了哪些事”几方面来分析。

 

1、需要GC的内存区域

jvm 中,程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈都是随线程而生随线程而灭,栈帧随着方法的进入和退出做入栈和出栈操作,实现了自动的内存清理,因此,我们的内存垃圾回收主要集中于 java 堆和方法区中,在程序运行期间,这部分内存的分配和使用都是动态的。

 

2、GC的对象

需要进行回收的对象就是已经没有存活的对象,判断一个对象是否存活常用的有两种办法:引用计数和可达分析。

(1)引用计数:每个对象有一个引用计数属性,新增一个引用时计数加1,引用释放时计数减1,计数为0时可以回收。此方法简单,无法解决对象相互循环引用的问题。

(2)可达性分析(Reachability Analysis):从GC Roots开始向下搜索,搜索所走过的路径称为引用链。当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连时,则证明此对象是不可用的。不可达对象。

在Java语言中,GC Roots包括:

虚拟机栈中引用的对象。

方法区中类静态属性实体引用的对象。

方法区中常量引用的对象。

本地方法栈中JNI引用的对象。

3、什么时候触发GC

(1)程序调用System.gc时可以触发

(2)系统自身来决定GC触发的时机(根据Eden区和From Space区的内存大小来决定。当内存大小不足时,则会启动GC线程并停止应用线程)

GC又分为 minor GC 和 Full GC (也称为 Major GC )

Minor GC触发条件:当Eden区满时,触发Minor GC。

Full GC触发条件:

a.调用System.gc时,系统建议执行Full GC,但是不必然执行

b.老年代空间不足

c.方法去空间不足

d.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

e.由Eden区、From Space区向To Space区复制时,对象大小大于To Space可用内存,则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

4、GC做了什么事

主要做了清理对象,整理内存的工作。Java堆分为新生代和老年代,采用了不同的回收方式。(回收方式即回收算法详见后文)

二、GC常用算法

GC常用算法有:标记-清除算法,标记-压缩算法,复制算法,分代收集算法。

目前主流的JVM(HotSpot)采用的是分代收集算法。

1、标记-清除算法

为每个对象存储一个标记位,记录对象的状态(活着或是死亡)。分为两个阶段,一个是标记阶段,这个阶段内,为每个对象更新标记位,检查对象是否死亡;第二个阶段是清除阶段,该阶段对死亡的对象进行清除,执行 GC 操作。

优点

最大的优点是,标记—清除算法中每个活着的对象的引用只需要找到一个即可,找到一个就可以判断它为活的。此外,更重要的是,这个算法并不移动对象的位置。

缺点

它的缺点就是效率比较低(递归与全堆对象遍历)。每个活着的对象都要在标记阶段遍历一遍;所有对象都要在清除阶段扫描一遍,因此算法复杂度较高。没有移动对象,导致可能出现很多碎片空间无法利用的情况。

图例

 

2、标记-压缩算法(标记-整理)

标记-压缩法是标记-清除法的一个改进版。同样,在标记阶段,该算法也将所有对象标记为存活和死亡两种状态;不同的是,在第二个阶段,该算法并没有直接对死亡的对象进行清理,而是将所有存活的对象整理一下,放到另一处空间,然后把剩下的所有对象全部清除。这样就达到了标记-整理的目的。

优点

该算法不会像标记-清除算法那样产生大量的碎片空间。

缺点

如果存活的对象过多,整理阶段将会执行较多复制操作,导致算法效率降低。

图例

 

左边是标记阶段,右边是整理之后的状态。可以看到,该算法不会产生大量碎片内存空间。

3、复制算法

该算法将内存平均分成两部分,然后每次只使用其中的一部分,当这部分内存满的时候,将内存中所有存活的对象复制到另一个内存中,然后将之前的内存清空,只使用这部分内存,循环下去。

注意:

这个算法与标记-整理算法的区别在于,该算法不是在同一个区域复制,而是将所有存活的对象复制到另一个区域内。

优点

实现简单;不产生内存碎片

缺点

每次运行,总有一半内存是空的,导致可使用的内存空间只有原来的一半。

图例

 

4、分代收集算法

现在的虚拟机垃圾收集大多采用这种方式,它根据对象的生存周期,将堆分为新生代(Young)和老年代(Tenure)。在新生代中,由于对象生存期短,每次回收都会有大量对象死去,那么这时就采用复制算法。老年代里的对象存活率较高,没有额外的空间进行分配担保,所以可以使用标记-整理 或者 标记-清除。

具体过程:新生代(Young)分为Eden区,From区与To区

 

当系统创建一个对象的时候,总是在Eden区操作,当这个区满了,那么就会触发一次YoungGC,也就是年轻代的垃圾回收。一般来说这时候不是所有的对象都没用了,所以就会把还能用的对象复制到From区。

 

这样整个Eden区就被清理干净了,可以继续创建新的对象,当Eden区再次被用完,就再触发一次YoungGC,然后呢,注意,这个时候跟刚才稍稍有点区别。这次触发YoungGC后,会将Eden区与From区还在被使用的对象复制到To区,

 

再下一次YoungGC的时候,则是将Eden区与To区中的还在被使用的对象复制到From区。

 

经过若干次YoungGC后,有些对象在From与To之间来回游荡,这时候From区与To区亮出了底线(阈值),这些家伙要是到现在还没挂掉,对不起,一起滚到(复制)老年代吧。

 

老年代经过这么几次折腾,也就扛不住了(空间被用完),好,那就来次集体大扫除(Full GC),也就是全量回收。如果Full GC使用太频繁的话,无疑会对系统性能产生很大的影响。所以要合理设置年轻代与老年代的大小,尽量减少Full GC的操作。

三、垃圾收集器

如果说收集算法是内存回收的方法论,垃圾收集器就是内存回收的具体实现

1.Serial收集器

串行收集器是最古老,最稳定以及效率高的收集器

可能会产生较长的停顿,只使用一个线程去回收

-XX:+UseSerialGC

新生代、老年代使用串行回收
新生代复制算法
老年代标记-压缩


 

2. 并行收集器

2.1 ParNew

-XX:+UseParNewGC(new代表新生代,所以适用于新生代)

新生代并行
老年代串行
Serial收集器新生代的并行版本

在新生代回收时使用复制算法

多线程,需要多核支持

-XX:ParallelGCThreads 限制线程数量

 

2.2 Parallel收集器

类似ParNew

新生代复制算法

老年代标记-压缩

更加关注吞吐量

-XX:+UseParallelGC

使用Parallel收集器+ 老年代串行
-XX:+UseParallelOldGC

使用Parallel收集器+ 老年代并行


 

2.3 其他GC参数

-XX:MaxGCPauseMills

最大停顿时间,单位毫秒
GC尽力保证回收时间不超过设定值
-XX:GCTimeRatio

0-100的取值范围
垃圾收集时间占总时间的比
默认99,即最大允许1%时间做GC
这两个参数是矛盾的。因为停顿时间和吞吐量不可能同时调优

3. CMS收集器

Concurrent Mark Sweep 并发标记清除(应用程序线程和GC线程交替执行)
使用标记-清除算法
并发阶段会降低吞吐量(停顿时间减少,吞吐量降低)
老年代收集器(新生代使用ParNew)
-XX:+UseConcMarkSweepGC
CMS运行过程比较复杂,着重实现了标记的过程,可分为

1. 初始标记(会产生全局停顿)

根可以直接关联到的对象
速度快
2. 并发标记(和用户线程一起)

主要标记过程,标记全部对象
3. 重新标记 (会产生全局停顿)

由于并发标记时,用户线程依然运行,因此在正式清理前,再做修正
4. 并发清除(和用户线程一起)

基于标记结果,直接清理对象


 

这里就能很明显的看出,为什么CMS要使用标记清除而不是标记压缩,如果使用标记压缩,需要多对象的内存位置进行改变,这样程序就很难继续执行。但是标记清除会产生大量内存碎片,不利于内存分配。

CMS收集器特点:

尽可能降低停顿

会影响系统整体吞吐量和性能

比如,在用户线程运行过程中,分一半CPU去做GC,系统性能在GC阶段,反应速度就下降一半
清理不彻底

因为在清理阶段,用户线程还在运行,会产生新的垃圾,无法清理
因为和用户线程一起运行,不能在空间快满时再清理(因为也许在并发GC的期间,用户线程又申请了大量内存,导致内存不够)

-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction设置触发GC的阈值
如果不幸内存预留空间不够,就会引起concurrent mode failure
一旦 concurrent mode failure产生,将使用串行收集器作为后备。

CMS也提供了整理碎片的参数:

-XX:+ UseCMSCompactAtFullCollection Full GC后,进行一次整理

整理过程是独占的,会引起停顿时间变长
-XX:+CMSFullGCsBeforeCompaction

设置进行几次Full GC后,进行一次碎片整理
-XX:ParallelCMSThreads

设定CMS的线程数量(一般情况约等于可用CPU数量)
CMS的提出是想改善GC的停顿时间,在GC过程中的确做到了减少GC时间,但是同样导致产生大量内存碎片,又需要消耗大量时间去整理碎片,从本质上并没有改善时间。

4. G1收集器

G1是目前技术发展的最前沿成果之一,HotSpot开发团队赋予它的使命是未来可以替换掉JDK1.5中发布的CMS收集器。

与CMS收集器相比G1收集器有以下特点:

(1) 空间整合,G1收集器采用标记整理算法,不会产生内存空间碎片。分配大对象时不会因为无法找到连续空间而提前触发下一次GC。

(2)可预测停顿,这是G1的另一大优势,降低停顿时间是G1和CMS的共同关注点,但G1除了追求低停顿外,还能建立可预测的停顿时间模型,能让使用者明确指定在一个长度为N毫秒的时间片段内,消耗在垃圾收集上的时间不得超过N毫秒,这几乎已经是实时Java(RTSJ)的垃圾收集器的特征了。

上面提到的垃圾收集器,收集的范围都是整个新生代或者老年代,而G1不再是这样。使用G1收集器时,Java堆的内存布局与其他收集器有很大差别,它将整个Java堆划分为多个大小相等的独立区域(Region),虽然还保留有新生代和老年代的概念,但新生代和老年代不再是物理隔阂了,它们都是一部分(可以不连续)Region的集合。

G1的新生代收集跟ParNew类似,当新生代占用达到一定比例的时候,开始出发收集。

和CMS类似,G1收集器收集老年代对象会有短暂停顿。

步骤:

(1)标记阶段,首先初始标记(Initial-Mark),这个阶段是停顿的(Stop the World Event),并且会触发一次普通Mintor GC。对应GC log:GC pause (young) (inital-mark)

(2)Root Region Scanning,程序运行过程中会回收survivor区(存活到老年代),这一过程必须在young GC之前完成。

(3)Concurrent Marking,在整个堆中进行并发标记(和应用程序并发执行),此过程可能被young GC中断。在并发标记阶段,若发现区域对象中的所有对象都是垃圾,那个这个区域会被立即回收(图中打X)。同时,并发标记过程中,会计算每个区域的对象活性(区域中存活对象的比例)。

 

(4)Remark, 再标记,会有短暂停顿(STW)。再标记阶段是用来收集 并发标记阶段 产生新的垃圾(并发阶段和应用程序一同运行);G1中采用了比CMS更快的初始快照算法:snapshot-at-the-beginning (SATB)。

(5)Copy/Clean up,多线程清除失活对象,会有STW。G1将回收区域的存活对象拷贝到新区域,清除Remember Sets,并发清空回收区域并把它返回到空闲区域链表中。

 

(6)复制/清除过程后。回收区域的活性对象已经被集中回收到深蓝色和深绿色区域。

四、finalize()方法详解

1. finalize的作用

(1)finalize()是Object的protected方法,子类可以覆盖该方法以实现资源清理工作,GC在回收对象之前调用该方法。

(2)finalize()与C++中的析构函数不是对应的。C++中的析构函数调用的时机是确定的(对象离开作用域或delete掉),但Java中的finalize的调用具有不确定性

(3)不建议用finalize方法完成“非内存资源”的清理工作,但建议用于:① 清理本地对象(通过JNI创建的对象);② 作为确保某些非内存资源(如Socket、文件等)释放的一个补充:在finalize方法中显式调用其他资源释放方法。其原因可见下文[finalize的问题]

2. finalize的问题

(1)一些与finalize相关的方法,由于一些致命的缺陷,已经被废弃了,如System.runFinalizersOnExit()方法、Runtime.runFinalizersOnExit()方法

(2)System.gc()与System.runFinalization()方法增加了finalize方法执行的机会,但不可盲目依赖它们

(3)Java语言规范并不保证finalize方法会被及时地执行、而且根本不会保证它们会被执行

(4)finalize方法可能会带来性能问题。因为JVM通常在单独的低优先级线程中完成finalize的执行

(5)对象再生问题:finalize方法中,可将待回收对象赋值给GC Roots可达的对象引用,从而达到对象再生的目的

(6)finalize方法至多由GC执行一次(用户当然可以手动调用对象的finalize方法,但并不影响GC对finalize的行为)

3. finalize的执行过程(生命周期)

(1) 首先,大致描述一下finalize流程:当对象变成(GC Roots)不可达时,GC会判断该对象是否覆盖了finalize方法,若未覆盖,则直接将其回收。否则,若对象未执行过finalize方法,将其放入F-Queue队列,由一低优先级线程执行该队列中对象的finalize方法。执行finalize方法完毕后,GC会再次判断该对象是否可达,若不可达,则进行回收,否则,对象“复活”。

(2) 具体的finalize流程:

对象可由两种状态,涉及到两类状态空间,一是终结状态空间 F = {unfinalized, finalizable, finalized};二是可达状态空间 R = {reachable, finalizer-reachable, unreachable}。各状态含义如下:

unfinalized: 新建对象会先进入此状态,GC并未准备执行其finalize方法,因为该对象是可达的
finalizable: 表示GC可对该对象执行finalize方法,GC已检测到该对象不可达。正如前面所述,GC通过F-Queue队列和一专用线程完成finalize的执行
finalized: 表示GC已经对该对象执行过finalize方法
reachable: 表示GC Roots引用可达
finalizer-reachable(f-reachable):表示不是reachable,但可通过某个finalizable对象可达
unreachable:对象不可通过上面两种途径可达
状态变迁图:

 

变迁说明:

(1)新建对象首先处于[reachable, unfinalized]状态(A)

(2)随着程序的运行,一些引用关系会消失,导致状态变迁,从reachable状态变迁到f-reachable(B, C, D)或unreachable(E, F)状态

(3)若JVM检测到处于unfinalized状态的对象变成f-reachable或unreachable,JVM会将其标记为finalizable状态(G,H)。若对象原处于[unreachable, unfinalized]状态,则同时将其标记为f-reachable(H)。

(4)在某个时刻,JVM取出某个finalizable对象,将其标记为finalized并在某个线程中执行其finalize方法。由于是在活动线程中引用了该对象,该对象将变迁到(reachable, finalized)状态(K或J)。该动作将影响某些其他对象从f-reachable状态重新回到reachable状态(L, M, N)

(5)处于finalizable状态的对象不能同时是unreahable的,由第4点可知,将对象finalizable对象标记为finalized时会由某个线程执行该对象的finalize方法,致使其变成reachable。这也是图中只有八个状态点的原因

(6)程序员手动调用finalize方法并不会影响到上述内部标记的变化,因此JVM只会至多调用finalize一次,即使该对象“复活”也是如此。程序员手动调用多少次不影响JVM的行为

(7)若JVM检测到finalized状态的对象变成unreachable,回收其内存(I)

(8)若对象并未覆盖finalize方法,JVM会进行优化,直接回收对象(O)

(9)注:System.runFinalizersOnExit()等方法可以使对象即使处于reachable状态,JVM仍对其执行finalize方法

五、总结

根据GC的工作原理,我们可以通过一些技巧和方式,让GC运行更加有效率,更加符合应用程序的要求。一些关于程序设计的几点建议:

1.最基本的建议就是尽早释放无用对象的引用。大多数程序员在使用临时变量的时候,都是让引用变量在退出活动域(scope)后,自动设置为 null.我们在使用这种方式时候,必须特别注意一些复杂的对象图,例如数组,队列,树,图等,这些对象之间有相互引用关系较为复杂。对于这类对象,GC 回收它们一般效率较低。如果程序允许,尽早将不用的引用对象赋为null.这样可以加速GC的工作。

2.尽量少用finalize函数。finalize函数是Java提供给程序员一个释放对象或资源的机会。但是,它会加大GC的工作量,因此尽量少采用finalize方式回收资源。

3.如果需要使用经常使用的图片,可以使用soft应用类型。它可以尽可能将图片保存在内存中,供程序调用,而不引起OutOfMemory.

4.注意集合数据类型,包括数组,树,图,链表等数据结构,这些数据结构对GC来说,回收更为复杂。另外,注意一些全局的变量,以及一些静态变量。这些变量往往容易引起悬挂对象(dangling reference),造成内存浪费。

5.当程序有一定的等待时间,程序员可以手动执行System.gc(),通知GC运行,但是Java语言规范并不保证GC一定会执行。使用增量式GC可以缩短Java程序的暂停时间。

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