JVM内存回收策略
2021-01-11 / highPhone啊

判断对象“已死”

大多数对象实例都在堆中，垃圾收集器在对堆进行回收前，需要先确定哪些对象还“存活”，哪些对象已经“死去”(即不可能再被任何途经使用的对象)。判断对象已死常用算法有 引用计数法和可达性分析算法

引用计数法(Reference Counting)

在引用计数法中，会给每个对象添加一个引用计数器，每当有一个地方引用到这个对象时，这个对象的引用计数器加1；当有一个这个对象的引用失效时，引用计数器减1，那些引用计数器为0的对象，就是不可能再被使用的，引用计数法就认为这个对象“已死”。
引用计数法的优点是实现简单，判定效率也很高，在一些情况下它是一个不错的算法。但是它的缺点也非常明显：首先，为每个对象分配内存时，需要为引用计数器分配额外内存，最致命的是，引用计数法无法解决循环引用的问题:

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public class ReferenceCountingTest {

    public Object reference = null;

    public static void main(String[] args) {
        ReferenceCountingTest objectA = new ReferenceCountingTest();
        ReferenceCountingTest objectB = new ReferenceCountingTest();
        objectA.reference = objectB;
        objectB.reference = objectA;
        objectA = null;
        objectB = null;

    }
}

如上面的代码，objectA和ObjectB中都有一个reference成员变量，objectA的reference指向objectB，objectB的reference指向objectA，当objectA和objectB都赋值为null后，在我们认为，这两个都已经是垃圾对象了，是可以被回收的，但是由于objectA和objectB相互被对方的referenc引用，所以他们的引用计数器都是1，如果使用引用计数法判断，那么这两个对象都是“存活”的，不会被回收。

备注：可以使Recycler-环状引用计数法来解决循环引用的问题(了解), 但是在多线程环境下，引用计数变更也要进行昂贵的同步操作，性能较低。

可达性分析(Reachability Analysis)算法

由于引用计数法无法解决循环引用的问题，所以在JVM中没有采用这个算法进行判读对象是否“已死”，而是使用了可达性分析算法。
在可达性分析算法中，以一系列成为GC ROOT的对象为起点，从这些节点开始往下搜索，搜索的路径叫做引用链(Reference Chain)。对于一个对象，如果没有任何GC ROOT可以通过引用链找到这个对象(不可达)，则证明这个对象是不可用的。这样，即使内存中有类似与上面循环引用的对象，如果通过GC ROOT不可达，那也可以正确判定这些对象是可回收的对象。

GC ROOT

在Java中，以下几种对象可以作为GC ROOT对象：

  • 虚拟机栈(栈帧中的本地变量表)中引用的对象
  • 方法区中类静态属性引用的对象
  • 方法区中常量引用的对象
  • 本地方法栈中JNI(Native方法)引用的对象。

引用

“引用”与判断对象是否存活息息相关。在JDK1.2之前，对于引用的定义是这样的：如果reference类型的数据中存储的数值代表的是另外一块内存的起始地址，就称这块内存代表着一个引用。
在JDK1.2之后，Java对“引用”的概念进行了扩充，将“引用”分为了强引用(Strong Reference)、软引用（Soft Reference）、弱引用（Weak Reference）、虚引用（Phantom Reference）4种，引用强度依次减弱。

  • 强引用(Strong Reference)
    强引用在程序代码中普遍存在，类似与使用new创建对象实例这种引用就是强引用。只要一个对象存在强引用，垃圾收集器回收内存垃圾时就不会回收这个对象。

  • 软引用（Soft Reference）
    软引用用来描述一些还有用但非必须的对象。在系统将要发生OOM时，会把这些对象列进回收范围进行第二次回收，如果二次回收后还没有足够的内存，才会抛出OOM。JDK1.2后提供了java.lang.ref.SoftReference类实现软引用。应用场景: 软引用可用于实现内存敏感的高速缓存。如果内存充足，就可以一直把缓存放在内存中，加快数据访问速度。如果内存不足了，缓存就会被回收掉。

  • 弱引用（Weak Reference）
    被弱引用引用的对象，只能存活到下一次垃圾收集发生前，当下一进行垃圾收集时，无论内存是否充足，弱引用对象都会被回收。JDK1.2后提供了java.lang.ref.WeakReference来实现弱引用。

  • 虚引用（Phantom Reference）
    一个对象是否有虚引用的存在，不会对其生存时间造成影响，也无法通过虚引用来获取对象实例。设置虚引用通常是为了让这个对象被垃圾收集器回收时，能收到一个系统通知。在JDK1.2后，提供了java.lang.ref.PhantomReference类来实现虚引用。

垃圾收集算法

标记-清除(Mark-Sweep)算法

标记-清除算法算法分为两个阶段，第一阶段是追踪(Tracing)阶段：从GC Root开启沿着引用链遍历对象图,并标记(Mark)所遇到的对象。第二阶段是清除(Sweep)阶段,垃圾回收器检查堆中所有对象，并将所有未被标记的对象回收。标记-清除算法是基础收集算法，实现简单，不需要额外的移动对象的操作。它主要存在两个问题：标记和清除两个过程的效率不高、标记清除后可能会产生大量不连续的内存碎片。

复制(Copying)算法

复制算法是为了解决效率问题提出的，它将可用内存容量划分为大小相等的两块，每次只使用其中一块。当使用的一块中内存满了，就将还存活的对象复制到另一块空的内存中，复制完后清除已使用的一块内存空间。复制算法的优点是实现简单，运行高效，不用考虑内存碎片问题。缺点是需要浪费一半的内存空间，同时，如果存活对象中有大对象时，复制成本太高，也正是因为复制需要成本，所以复制算法适用于对对象存活率不高的区域进行垃圾回收，这样，需要复制的对象不多，效率会很高。

  • 经IBM公司专门的研究表明，JVM新生代中98%的对象都是”朝生夕死”，所以，新生代对象回收非常适合使用复制算法来进行垃圾回收。因为只有大约2%的对象存活，所以还可以对复制算法进行优化：在默认情况下，在新生代中内存按照8:1:1的比例分为了Eden Space、Survivor From、Survivor To三个区域，每次垃圾收集发生时，都将Eden Space、Survivor From区域中还存活的对象复制到Survivor To区中，然后清理Eden Space、Survivor From区域内存，这样每次留空(“浪费”)的内存只占用了新生代内存区域的10%。
  • 当然，在某些极端场景下，我们没有办法保证每次祸首都只有不多于10%的对象存活，当Survivor To区中内存不足以放下单次垃圾回收中还存活的对象时，这些对象将通过 分配担保(Handle Promotion) 机制直接进入老年代。

标记-整理(Mark-Compact)算法

标记-整理算法也叫标记-压缩算法，在标记阶段于标记-清除算法一样，但标记完成后，不会直接对可回收对象进行清理，而是让所有存活的对象都向一端移动，然后直接清理端边界以外的内存。在老年代的垃圾收集中，对象存活的比率比较高，不适合使用复制算法，一般会使用标记-整理算法进行垃圾收集。

总结

上面三种算法中包含的操作，时间与空间效率总结如下表，用L代表存活对象数量，H代表堆大小：

收集算法包含动作是否移动对象空间开销时间开销
标记-清除(Mark-Sweep)算法Mark、Sweep否低(有碎片)Mark时间与L成正比O(L) + Sweep时间与H成正比O(H)
复制(Copying)算法Copying是高Coying与L成正比O(L)
标记-整理(Mark-Compact)算法Mark、Compaction是低(没碎片)Mark时间与L成正比O(L) + Compaction时间与L成正比O(L)

把 mark、sweep、compaction、copying 这几种动作的耗时放在一起看，大致有这样的关系：

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