Java中的内存管理和垃圾回收机制 (中)

╰半夏微凉° 2023-10-13 10:58 26阅读 0赞

> 内存管理和垃圾收集

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JavaTM 2 Platform, Standard Edition (J2SETM) 的优势在于执行自动内存管理，这为开发人员提供了防御，使其免受显式内存管理的复杂性和担忧。

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### 垃圾收集器 ###

垃圾收集器是一个负责收集垃圾和自动内存管理的程序。

垃圾收集器做三个任务

*  分配内存
 *  确保带有引用的对象不应该被垃圾回收（避免悬空引用问题）
 *  删除所有不再可访问或无法通过任何引用链接的对象 被引用的对象称为活动对象，那些未被引用的对象称为标记为垃圾的死对象。通过移除或消除垃圾来回收空间的过程称为垃圾收集。根据 Java JDK 1.7，这些是五种不同类型的垃圾收集器。
 *  串行GC
 *  并行GC
 *  Old Parallel GC (Parallel — compact GC)
 *  CMS（并发标记清除 GC）
 *  垃圾优先 (G1-GC) 此外，这是垃圾收集器用来清除垃圾的三种算法。
 *  标记复制
 *  标记清除紧凑
 *  扫标 实现哪种算法完全取决于您使用的 GC 类型。在了解上述算法的细节之前，让我们先了解一下称为“停止世界”的术语。

### Stop-the-world ###

Stop-the-word 事件意味着 JVM 正在停止每个线程，只是为了执行垃圾收集的线程。在 stop-the-world 中，除线程 GC 之外的每个线程都将在 GC 线程执行其任务后停止并恢复。

### 标记 ###

上面提到所有算法都有一个标记阶段，在这个阶段GC从root开始遍历内存中的所有对象，并标记那些已经引用的对象（Live objects）。目的是识别死对象，以便它们可以移除。这个标记阶段需要 stop-the-world 事件，因为任何其他线程都有可能干扰或操纵对象。停止世界时间取决于访问对象以进行标记的迭代。

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### 扫标 ###

在标记阶段之后，在标记清除算法中，GC 将删除所有被识别为垃圾的对象，由于删除我们在内存中面临碎片问题，因为所有死对象不是彼此相邻的，所以它会在它们之间产生大洞/间隙活物体。

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正如您现在看到的，活动对象之间存在间隙或碎片。由于碎片化或分裂的内存，如果我们尝试插入更多对象，我们可能很快就会遇到 outOfMemoryError。

### 标记清除紧凑 ###

该算法是碎片问题的解决方案，在标记和清除之后我们需要从内存中删除空洞，因为紧凑派上用场了。在 compact 中，所有活动对象都在内存的开头移动，因此碎片将被删除，但复制对象和更新所有引用需要 STW 暂停。

正如您在下面看到的，现在所有碎片都已删除，活动对象已在内存开头移动并更新了引用

注意：由于对象在内存中移动以消除压缩或复制阶段的碎片，因此需要使用其新地址更新该对象引用，这将通过基本信息、起始地址和一种位移计算快速找出。

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### 标记复制 ###

在标记复制算法中，所有活动对象都复制到一个新位置，以消除碎片，旧空间现在可用于新分配。由于这种技术对内存压缩很有用，而且还使我们拥有了一个平等的新空间，所有活动对象都可以在其中存储。

让我们看一个使用标记复制算法的年轻代 Minor GC 的例子，假设我们创建了 4 个对象，现在我们的 Eden 空间已满，Minor GC 将运行从 Eden 和生存空间（仅限年轻代）收集垃圾。

垃圾收集器首先运行在 Eden 空间，标记所有存活的对象，可以复制到新的空间，同时检测死对象。对于死对象，我们也可以说所有没有引用的对象，或者那些方法成功执行并完成其任务的本地（方法级对象）。由于生存空间还没有对象，因此不会在那里执行任何标记。标记下一步是复制对象后，GC 将删除未使用的对象，以便为创建新对象占用空间。

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将对象复制到生存空间后，当下一次minor GC执行时，存活对象进一步从s1（To）移动到s2（From），并在下一次GC中继续到s1一定阈值（MaxTenuringThreshold默认为15）。我们可以使用 -XX: MaxTenuringThreshold VM 参数调整其值。现在伊甸园空间又空了新的对象分配。

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### 垃圾收集器类型 ###

### 串行GC ###

顾名思义，它执行串行垃圾收集，GC 只在一个线程中工作。Stop-the-world 发生在次要和主要 GC 中。在新生代串行 GC 中执行标记复制算法，在老年代中执行标记清除压缩算法。串行 GC 很慢并且只在一个线程中工作，所以这就是为什么它主要用于单线程应用程序和小堆大小的原因。启用该 GC 我们使用 -XX: +UseSerialGC JVM 参数。我们还可以使用 -XX: +PrintGCDetails VM 参数来打印 GC 详细信息。

现在让我们在应用串行 GC 后执行一个示例，并查看 GC 详细信息、数据戳和时间戳。编译代码后，使用以下命令运行类，

java –XX: +UseSerialGC –XX: +PrintGCDetails com.home.pkg.MyClassName

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现在让我们先看看上面的状态

*  GC 标志为我们提供了有关主要/次要垃圾回收的信息，GC 显示这是一个次要垃圾回收，我们在下面的统计数据中看到，eden 空间只有 44% 的使用率，而 tenured 空间有 20% 的使用率。
 *  Allocation failed 6 times 表示 Eden 空间有 6 次未能添加新对象并调用 GC。
 *  DefNew 是垃圾收集器使用的名称，因为它是次要 GC，所以它意味着它仅在年轻一代内存中运行，使用停止世界、标记复制算法。
 *  在 DefNew 之后，值 512K -> 63K 显示了垃圾收集前后年轻代的使用情况，因此它表明对象使用的年轻代大小为 512K，在第一次小 GC 使用后减少到 63K，而年轻代的总大小为在大括号之后是 576K
 *  512K -> 291K 显示的是收集前后的堆总使用量，1984K 是堆的总大小。
 *  用户时间是内核之外的用户模式代码消耗的总 CPU 时间。上面的垃圾回收是一个用户进程，它的执行时间叫做user-time
 *  Sys-time 是在 Kernel 内部花费的总时间，比如 OS 调用，以及内核内部的系统调用
 *  real — time 是从开始到结束完成进程所花费的总时钟时间，它还包括所有 OS 调用、进程和任何要完成的阻塞 I/O。由于串行 GC 始终使用单线程，因此实时将始终是用户时间和系统时间的总和。Serial GC 总是在单线程上使用来清理 Eden 和 tenured 空间。它 Stop-the-world 然后执行单线程进行垃圾收集，这使它变慢了。此 GC 是为通常的单线程应用程序和小型堆设计的。

### SerialGC 的次要 GC ###

*  串行 GC 中的标记允许快速分配（使用指针碰撞技术）但它需要更多空间（To-survival 和 From-survival 空间）
 *  Stop-the-world 在 Minor GC 中举行
 *  用户标记复制算法（快速算法） SerialGC 的主要 GC
 *  Major GC 在 SerialGC 的 Major GC 中使用较慢的算法，但需要较少的内存区域。
 *  在 Major GC 中也举办了 Stop-the-world 活动
 *  它使用标记-清除-紧凑算法

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