Java JVM中的GC机制详解

灰太狼 2023-10-09 22:26 47阅读 0赞

### 1. GC概述 ###

垃圾回收（Garbage Collection，简称GC）机制是JVM中最重要的部分之一。在Java程序运行的过程中，运行时数据区域（包括堆和栈等内存区域）一直都需要使用和回收内存空间。由于Java中的内存分配方式是动态的，所以在程序运行期间，其内存空间的占用量会不断变化。

如果Java程序没有进行垃圾回收，那么程序运行过程中使用的内存空间将不断累加，最后内存会被完全占用，导致程序崩溃。因此，为了保证程序正常运行，避免内存被耗尽和泄漏问题，JVM中设计了垃圾回收机制，用来定期清理无用的对象，并回收内存空间。

在JVM中，GC操作是一个自动化过程，由JVM自动执行。JVM把一些没有被引用的对象或不再使用的对象称为“垃圾”，在程序运行中，GC机制会对这些对象进行标记，并自动回收其占用的内存空间。这样，就可以让应用程序专注于业务逻辑上，而不需要去关心内存管理的问题。

### 2. 垃圾判断算法 ###

垃圾判断算法通常有两种实现方式：引用计数法和可达性分析法。

引用计数法是一种简单和直观的垃圾判断算法，它通过统计每个对象被引用的次数来判断它是否为垃圾。当一个对象被新的引用指向时，它的引用计数就会加1；当一个引用失效时，对应的对象的引用计数就会减1。当引用计数为0时，JVM就认为该对象已经成为垃圾，并将其回收。

但是，引用计数法有一个很明显的缺陷，即无法解决循环依赖的情况。比如，如果存在两个对象相互引用，它们的引用计数都不为0，但是它们实际上已经成为了垃圾，而由于它们之间互相引用，导致引用计数法无法正确识别。

相比之下，可达性分析法是一种更为普遍和有效的垃圾判断算法。这种算法认为，一个对象是不可用的，当且仅当没有任何一个引用可以到达该对象。换句话说，只要存在一条从根对象（如静态变量、本地变量等）开始的引用链可以到达该对象，那么该对象就是有用的。

JVM采用可达性分析法来判断对象是否为垃圾。从GC Roots作为起点开始扫描，通过向下递归搜索并标记所有被引用的对象，最终将没有标记的对象标记为垃圾并进行回收。在实现时可以采用可达性分析算法的复杂度，即O(n)，其中n为对堆中对象进行遍历所需要的时间。

### 3. GC算法 ###

GC的实现依赖于GC算法，常见的GC算法包括：标记-清除算法、复制算法、标记-整理算法和分代算法。

1.  标记-清除算法

标记-清除算法（Mark-Sweep Algorithm）是最基本的垃圾回收算法之一。它分为两个阶段：标记阶段和清除阶段。在标记阶段，GC会遍历所有对象，并标记所有需要回收的对象。在清除阶段，GC会将所有被标记的对象进行删除。

然而，标记-清除算法存在几个明显的缺点：

*  效率低下。由于回收过程中需要遍历所有对象，因此时间复杂度较高，不适合大型应用程序。
 *  空间效率低下。标记-清除算法无法对碎片化空间进行整理，导致内存空间浪费。

1.  复制算法

为了解决标记-清除算法的效率和空间问题，复制算法（Copying Algorithm）被提出。该算法将可用内存空间分为两块，每次只使用其中一块。当这一块内存用完后，GC将其中存活的对象复制到另一块未使用的内存中，然后重新启动程序。

复制算法以牺牲空间换取时间的方式，提高了垃圾回收机制的效率。但同样也存在一个缺点，即将内存分为两块损失了一半的空间。

1.  标记-整理算法

标记-整理算法（Mark-Compact Algorithm）是一种改进的标记-清除算法。该算法与标记-清除算法类似，但在标记阶段完成后，将所有需要回收的对象移到内存的一端，再将其余未被标记的对象移到另一端，从而使得内存中的空间连续。

由于标记-整理算法可以避免内存碎片问题，因此它通常用于长时间运行的服务器和大型应用程序。

1.  分代算法

在实际应用中，很多对象都具有不同生命周期。比如，一些对象经常会在程序的初始阶段创建和使用，而一些对象则会在程序的后期阶段创建和使用。基于这种情况，分代算法（Generational Algorithm）被提出。

分代算法将内存分为几个不同的区域（通常是新生代、老年代和持久代），并根据对象的生命周期分配到相应的区域。对于新生代，采用复制算法进行回收；对于老年代，采用标记-清除算法或标记-整理算法进行回收。同时分代算法也支持熬过虚拟机参数来进行相关设置。

### 4. GC的类型 ###

JVM中主要有两种GC类型：串行GC和并行GC。

1.  串行GC

串行GC（Serial Garbage Collector）是默认的垃圾回收器，也是最古老的垃圾回收器之一。它采用单线程方式进行垃圾回收，即同时只有一个线程在执行GC操作。这种GC模式适用于小型应用程序，或者是对响应时间要求不高的系统。

1.  并行GC

并行GC（Parallel Garbage Collector）是一种基于多线程的垃圾回收器。它将堆空间分为多块，然后使用多个线程并行回收垃圾对象。并行GC具有快速、高效的特点，可以同时使用多个CPU核心来执行垃圾回收任务，因此适用于大型应用程序和对响应时间要求较高的系统。

### 5. GC的实现 ###

JVM实现GC机制主要通过以下几点：

1.  内存分配策略。JVM使用两种方式来分配内存空间：指针碰撞（Bump the Pointer）和空闲列表（Free List）。指针碰撞法是指对于堆内存来说，有一个固定的指针表示已分配区域的末尾位置。每次分配内存时，JVM只需要将指针向前移动到未分配地址的位置，并将这段区域标记为已分配，从而完成内存分配。空闲列表则是将堆内存划分为不同大小的块，然后维护一个空闲块的列表，在需要分配内存时从该列表中查找，直到找到合适大小的空闲块为止。
2.  对象的创建和销毁。在JVM中，新创建的对象通常都会被放入新生代中。对于大部分应用程序来说，新生代中的对象往往有较短的生命周期，因此通过复制算法进行回收，以提高GC效率。而老年代中则包含着更多的持久对象，这些对象在程序运行期间不断被使用，因此采用标记-清除或标记-整理算法进行回收。
3.  GC线程和GC触发方式。JVM会在特定条件下触发GC操作，包括以下几种GC线程和触发方式：

*  Serial GC线程。当JVM采用串行GC时，只会有一个GC线程运行。
 *  Parallel GC线程。当JVM采用并行GC时，可以通过设置JVM参数，在不同的CPU核心上创建多个GC线程来提高GC效率。
 *  CMS GC线程。CMS（Concurrent Mark and Sweep）是一种基于标记-清除算法的垃圾回收器，它允许应用程序在GC操作过程中继续执行。CMS GC线程用于执行并发标记阶段和并发清除阶段的任务。
 *  G1 GC线程。G1（Garbage First）是一种基于分代算法的垃圾回收器，它将内存分为多个区域，并采用多线程进行垃圾回收。G1 GC线程用于执行各个分区的垃圾回收任务。

GC的触发方式包括：

*  Minor GC。Minor GC通常是指对新生代进行垃圾回收。当新生代满了，或者到达一定比例时，就会触发Minor GC操作。
 *  Major GC。Major GC通常是指对老年代进行垃圾回收。当老年代空间不足时，就会触发Major GC操作。
 *  Full GC。Full GC指对整个堆空间进行垃圾回收，包括新生代和老年代。Full GC通常是由Major GC或CMS GC触发的。

JVM提供了多种垃圾回收器和相关参数，可以根据应用程序的特点和需求进行选择和配置，以达到最佳的GC效果和性能。

**以下是对JVM中GC的优化方式：**

1.  合理配置堆大小。堆大小的配置会直接影响到GC的效率和性能，一般来说，越大的堆空间可以降低GC的频率和时间，但同时也会增加GC的暂停时间。因此，需要根据应用程序的需求和特点，合理配置堆大小。
2.  选择合适的GC算法。JVM提供了多种GC算法，每种算法都有其适用场景和优缺点。例如，对于需要快速响应的实时系统，可以选择CMS GC算法；而对于需要处理大量垃圾对象的系统，可以选择G1 GC算法。
3.  减少全局共享数据的使用。全局共享数据的使用会导致GC线程竞争共享数据，从而影响GC的效率和性能。因此，应该尽量减少全局共享数据的使用，避免GC线程之间的竞争。
4.  尽可能使用局部变量。局部变量存储在栈中，可以避免在堆中创建对象，从而减少垃圾回收的频率。
5.  对象重用。重复使用对象可以避免频繁创建和销毁对象，从而降低GC的负担。
6.  避免使用finalizer方法。finalizer是一种不稳定、不可控的方式，尽量避免使用，以免影响GC的效率和性能。
7.  使用内存分配器。使用内存分配器可以减少GC的压力，例如，JVM提供了TLAB（Thread Local Allocation Buffer）机制，可以为每个线程分配独立的内存缓存。

综上所述，对于JVM中的GC优化，需要充分考虑应用程序的需求和特点，选择合适的GC算法和堆大小，并尽可能避免全局共享数据的使用，使用局部变量和对象重用等策略来降低GC的负担，最终提高系统的性能和稳定性。