Java 虛擬機(jī)系列一：一文搞懂 JVM 架構(gòu)和運行時數(shù)據(jù)區(qū)

Java 虛擬機(jī)系列二：垃圾收集機(jī)制詳解田弥，動圖幫你理解

前言

上篇文章已經(jīng)給大家介紹了 JVM 的架構(gòu)和運行時數(shù)據(jù)區(qū) (內(nèi)存區(qū)域)逞带，本篇文章將給大家介紹 JVM 的重點內(nèi)容——垃圾收集。眾所周知租谈，相比 C / C++ 等語言篮奄，Java 可以省去手動管理內(nèi)存的繁瑣操作，很大程度上解放了 Java 程序員的生產(chǎn)力割去，而這正是得益于 JVM 的垃圾收集機(jī)制和內(nèi)存分配策略窟却。我們平時寫程序時并感知不到這一點，但是如果是在生產(chǎn)環(huán)境中呻逆，JVM 的不同配置對于服務(wù)器性能的影響是非常大的夸赫，所以掌握 JVM 調(diào)優(yōu)是高級 Java 工程師的必備技能。正所謂“基礎(chǔ)不牢咖城，地動山搖”憔足，在這之前我們先來了解一下底層的 JVM 垃圾收集機(jī)制。

既然要介紹垃圾收集機(jī)制酒繁，就要搞清楚以下幾個問題：

1. 哪些內(nèi)存區(qū)域需要進(jìn)行垃圾收集滓彰？
2. 如何判斷對象是否可回收？
3. 新的對象是如何進(jìn)行內(nèi)存分配的州袒？
4. 如何進(jìn)行垃圾收集揭绑？

本文將按以下行文結(jié)構(gòu)展開，對上述問題一一解答郎哭。

1. 需要進(jìn)行垃圾收集的內(nèi)存區(qū)域他匪；
2. 判斷對象是否可回收的方法；
3. 主流的垃圾收集算法介紹夸研；
4. JVM 的內(nèi)存分配與垃圾收集機(jī)制邦蜜。

下面開始正文，還是圖文并茂的老配方亥至，走起悼沈。

一贱迟、需要進(jìn)行垃圾收集的內(nèi)存區(qū)域

先來回顧一下 JVM 的運行時數(shù)據(jù)區(qū)：

Java 虛擬機(jī)運行時數(shù)據(jù)區(qū)

其中程序計數(shù)器、Java 虛擬機(jī)棧和本地方法棧都是線程私有的絮供，與其對應(yīng)的線程是共生關(guān)系衣吠，隨線程而生，隨線程而滅壤靶，棧中的棧幀也隨著方法的進(jìn)入和退出井然有序地進(jìn)行入棧和出棧操作缚俏。所以這幾個區(qū)域的內(nèi)存分配和回收都是有很大確定性的，在方法結(jié)束或線程結(jié)束時贮乳，內(nèi)存也會隨之釋放忧换，因此也就不需要考慮這幾個區(qū)域的內(nèi)存回收問題了。

而堆和方法區(qū)就不一樣了向拆，Java 的對象幾乎都是在堆上創(chuàng)建出來的包雀，方法區(qū)則存儲了被虛擬機(jī)加載的類型信息、常量亲铡、靜態(tài)變量才写、即時編譯器編譯后的代碼緩存等數(shù)據(jù)，方法區(qū)中的運行時常量池則存放了各種字面量與符號引用奖蔓，上述的這些數(shù)據(jù)大部分都是在運行時才能確定的赞草，所以需要進(jìn)行動態(tài)的內(nèi)存管理。

還要說明一點吆鹤，JVM 中的垃圾收集器的最主要的關(guān)注對象是 Java 堆厨疙，因為這里進(jìn)行垃圾收集的“性價比”是最高的，尤其是在新生代 (后文對分代算法進(jìn)行介紹) 中的垃圾收集疑务，一次就可以回收 70% - 99% 的內(nèi)存沾凄。而方法區(qū)由于垃圾收集判定條件，尤其是類型卸載的判定條件相當(dāng)苛刻知允，其回收性價比是非常低的撒蟀，因此有些垃圾收集器就干脆不支持或不完全支持方法區(qū)的垃圾收集，比如 JDK 11 中的 ZGC 收集器就不支持類型卸載温鸽。

二保屯、判斷對象是否可回收的方法

2.1 引用計數(shù)法

引用計數(shù)法的實現(xiàn)很簡單，在對象中添加一個引用計數(shù)器涤垫，每當(dāng)有一個地方引用它時姑尺，計數(shù)器值就加一；當(dāng)引用失效時蝠猬，計數(shù)器值就減一切蟋；任何時刻計數(shù)器為零的對象就是不可能再被使用的。大部分情況下這個方法是可以發(fā)揮作用的榆芦，但是在存在循環(huán)引用的情況下柄粹，引用計數(shù)法就無能為力了喘鸟。比如下面這種情況：

public class Student {
     // friend 字段
    public Student friend = null;
  
    public static void test() {
        Student a = new Student();
        Student b = new Student();
        a.friend = b;
        b.friend = a;
        a = null;
        b = null;
        System.gc();
    }
}

上述代碼創(chuàng)建了 a 和 b 兩個 Student 實例，并把它們各自的 friend 字段賦值為對方镰惦，除此之外，這兩個對象再無任何引用犬绒，然后將它們都賦值為 null旺入，在這種情況下，這兩個對象已經(jīng)不可能再被訪問凯力，但是它們因為互相引用著對方茵瘾，導(dǎo)致它們的引用計數(shù)都不為零，引用計數(shù)算法也就無法回收它們咐鹤。如下圖所示：

循環(huán)引用

但是在 Java 程序中拗秘，a 和 b 是可以被回收的，因為 JVM 并沒有使用引用計數(shù)法判定對象是否可回收祈惶，而是采用了可達(dá)性分析法雕旨。

2.2 可達(dá)性分析法

這個算法的基本思路就是通過一系列稱為“GC Roots”的根對象作為起始節(jié)點集 (GC Root Set)，從這些節(jié)點開始捧请，根據(jù)引用關(guān)系向下搜索凡涩，搜索過程所走過的路徑稱為“引用鏈” (Reference Chain)，如果某個對象到GC Roots間沒有任何引用鏈相連疹蛉，則說明此對象不再被使用活箕，也就可以被回收了。要進(jìn)行可達(dá)性分析就需要先枚舉根節(jié)點 (GC Roots)可款，在枚舉根節(jié)點過程中育韩，為防止對象的引用關(guān)系發(fā)生變化，需要暫停所有用戶線程 (垃圾收集之外的線程)闺鲸，這種暫停全部用戶線程的行為被稱為 (Stop The World)筋讨。可達(dá)性分析法如下圖所示：

可達(dá)性分析法

圖中綠色的都是位于 GC Root Set 中的 GC Roots摸恍，所有與其有關(guān)聯(lián)的對象都是可達(dá)的版仔，被標(biāo)記為藍(lán)色些举，而所有與其沒有任何關(guān)聯(lián)的對象都是不可達(dá)的娜庇，被標(biāo)記為灰色。即使是不可達(dá)對象颤诀，也并非一定會被回收谜慌，如果該對象同時滿足以下幾個條件然想，那么它仍有“逃生”的可能：

1. 該對象有重寫的 finalize()方法 (Object 類中的方法)；
2. finalize()方法中將其自身鏈接到了引用鏈上欣范；
3. JVM 此前沒有調(diào)用過該對象的finalize()方法 (因為 JVM 在收集可回收對象時會調(diào)用且僅調(diào)用一次該對象的finalize()方法)变泄。

不過由于finalize()方法的運行代價高昂令哟，不確定性大，且無法保證各個對象的調(diào)用順序妨蛹，所以并不推薦使用屏富。那么 GC Roots 又是何方神圣呢？在 Java 語言中蛙卤，固定可作為GC Roots的對象包括以下幾種：

1. 在虛擬機(jī)棧 (棧幀中的本地變量表) 中引用的對象狠半，比如各個線程被調(diào)用的方法堆棧中使用到的參數(shù)、局部變量颤难、臨時變量等神年。
2. 在方法區(qū)中類靜態(tài)屬性引用的對象，比如Java類的引用類型靜態(tài)變量行嗤。
3. 在方法區(qū)中常量引用的對象已日，比如字符串常量池(String Table)里的引用。
4. 在本地方法棧中JNI (即通常所說的Native方法) 引用的對象栅屏。
5. Java虛擬機(jī)內(nèi)部的引用飘千，如基本數(shù)據(jù)類型對應(yīng)的Class對象，一些常駐的異常對象 (比如
   NullPointExcepiton栈雳、OutOfMemoryError) 等占婉，還有系統(tǒng)類加載器。
6. 所有被同步鎖 (synchronized關(guān)鍵字) 持有的對象甫恩。
7. 反映Java虛擬機(jī)內(nèi)部情況的 JM XBean逆济、JVM TI 中注冊的回調(diào)、本地代碼緩存等磺箕。

三奖慌、垃圾收集算法介紹

3.1 標(biāo)記-清除算法

標(biāo)記-清除算法的思想很簡單，顧名思義松靡，該算法的過程分為標(biāo)記和清除兩個階段：首先標(biāo)記出所有需要回收的對象简僧，其中標(biāo)記過程就是使用可達(dá)性分析法判斷對象是否屬于垃圾的過程。在標(biāo)記完成后雕欺，統(tǒng)一回收掉所有被標(biāo)記的對象岛马，也可以反過來，標(biāo)記存活的對象屠列，統(tǒng)一回收所有未被標(biāo)記的對象啦逆。示意圖如下：

標(biāo)記-清除算法

這個算法雖然很簡單，但是有兩個明顯的缺點：

1. 執(zhí)行效率不穩(wěn)定笛洛。如果 Java 堆中包含大量對象夏志，而且其中大部分是需要被回收的，這時必須進(jìn)行大量標(biāo)記和清除的動作苛让，導(dǎo)致標(biāo)記和清除兩個過程的執(zhí)行效率都隨對象數(shù)量增長而降低;
2. 導(dǎo)致內(nèi)存空間碎片化沟蔑。標(biāo)記湿诊、清除之后會產(chǎn)生大量不連續(xù)的內(nèi)存碎片，空間碎片太多可能會導(dǎo)致當(dāng)以后在程序運行過程中需要分配較大對象時無法找到足夠的連續(xù)內(nèi)存而不得不提前觸發(fā)另一次垃圾收集動作瘦材，非常影響程序運行效率厅须。

3.2 標(biāo)記-復(fù)制算法

標(biāo)記-復(fù)制算法常簡稱復(fù)制算法，這一算法正好解決了標(biāo)記-清除算法在面對大量可回收對象時執(zhí)行效率低下的問題食棕。其實現(xiàn)方法也很易懂：在可用內(nèi)存中劃分出兩塊大小相同的區(qū)域朗和，每次只使用其中一塊，另一塊保持空閑狀態(tài)宣蠕，第一塊用完的時候例隆，就把存活的對象全部復(fù)制到第二塊區(qū)域甥捺，然后把第一塊全部清空抢蚀。如下圖所示：

標(biāo)記-復(fù)制算法

這個算法很適合用于對象存活率低的情況，因為它只關(guān)注存活對象而無需理會可回收對象镰禾，所以 JVM 中新生代的垃圾收集正是采用的這一算法皿曲。但是其缺點也很明顯，每次都要浪費一半的內(nèi)存吴侦，未免太過奢侈屋休，不過新生代有更精細(xì)的內(nèi)存劃分，比較好地解決了這個問題备韧，見下文劫樟。

3.3 標(biāo)記-整理算法

這個算法完美解決了標(biāo)記-清除算法的空間碎片化問題，其標(biāo)記過程與“標(biāo)記-清除”算法一樣织堂，但后續(xù)步驟不是直接對可回收對象進(jìn)行清理叠艳，而是讓所有存活的對象都向內(nèi)存空間一端移動，然后直接清理掉邊界以外的內(nèi)存易阳。

標(biāo)記-整理算法

這個算法雖然可以很好地解決空間碎片化問題附较，但是每次垃圾回收都要移動存活的對象，還要對引用這些對象的地方進(jìn)行更新潦俺，對象移動的操作也需要全程暫停用戶線程 (Stop The World)拒课。

3.4 分代收集算法

與其說是算法，不如說是理論事示。如今大多數(shù)虛擬機(jī)的實現(xiàn)版本都遵循了“分代收集”的理論進(jìn)行設(shè)計早像，這個理論可以看作是經(jīng)驗之談，因為開發(fā)人員在開發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)了 JVM 中存活對象的數(shù)量和它們的年齡之間有著某種規(guī)律肖爵，如下圖：

存活對象數(shù)量與年齡的關(guān)系

在此基礎(chǔ)上扎酷，人們得出了以下假說：

1. 絕大多數(shù)對象都是朝生夕滅的。
2. 熬過越多次垃圾收集過程的對象就越難以消亡遏匆。

根據(jù)這兩個假說法挨，可以把 JVM 的堆內(nèi)存大致分為新生代和老年代谁榜，新生代對象大多存活時間短，每次回收時只關(guān)注如何保留少量存活而不是去標(biāo)記那些大量將要被回收的對象凡纳，就能以較低代價回收到大量的空間窃植，所以這一區(qū)域一般采用標(biāo)記-復(fù)制算法進(jìn)行垃圾收集，頻率比較高荐糜。而老年代則是一些難以消亡的對象巷怜，可以采用標(biāo)記-清除和標(biāo)記整理算法進(jìn)行垃圾收集，頻率可以低一些暴氏。

按照 Hotspot 虛擬機(jī)的實現(xiàn)延塑，針對新生代和老年代的垃圾收集又分為不同的類型，也有不同的名詞答渔，如下：

1. 部分收集 (Partial GC)：指目標(biāo)不是完整收集整個Java堆的垃圾收集关带，其中又分為:

   • 新生代收集 (Minor GC / Young GC)：指目標(biāo)只是新生代的垃圾收集。

   • 老年代收集 (Major GC / Old GC)：指目標(biāo)只是老年代的垃圾收集沼撕，目前只有CMS收集器的并發(fā)收集階段是單獨收集老年代的行為宋雏。

   • 混合收集 (Mixed GC)：指目標(biāo)是收集整個新生代以及部分老年代的垃圾收集，目前只有G1收集器會有這種行為务豺。

2. 整堆收集 (Full GC)：收集整個Java堆和方法區(qū)的垃圾收集磨总。

人們經(jīng)常會混淆 Major GC 和 Full GC，不過這也有情可原笼沥，因為這兩種 GC 行為都包含了老年代的垃圾收集蚪燕，而單獨的老年代收集 (Major GC) 又比較少見，大多數(shù)情況下只要包含老年代收集奔浅，就會是整堆收集 (Full GC)馆纳，不過還是分得清楚一點比較好哈。

四乘凸、JVM 的內(nèi)存分配和垃圾收集機(jī)制

經(jīng)過前面的鋪墊厕诡，現(xiàn)在終于可以一窺 JVM 的內(nèi)存分配和垃圾收集機(jī)制的真面目了。

4.1 JVM 堆內(nèi)存的劃分

JVM堆內(nèi)存劃分

Java 堆是 JVM 所管理的內(nèi)存中最大的一塊营勤，也是垃圾收集器的管理區(qū)域灵嫌。大多數(shù)垃圾收集器都會將堆內(nèi)存劃分為上圖所示的幾個區(qū)域，整體分為新生代和老年代葛作，比例為 1 : 2寿羞，新生代又進(jìn)一步分為 Eden、From Survivor 和 To Survivor赂蠢，默認(rèn)比例為 8 : 1 : 1绪穆，請注意，可通過 SurvivorRatio 參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。請注意玖院，從 JDK 8 開始菠红，JVM 中已經(jīng)不再有永久代的概念了，Java 堆上的無論哪個區(qū)域难菌，存儲的都只能是對象的實例试溯，將Java 堆細(xì)分的目的只是為了更好地回收內(nèi)存，或者更快地分配內(nèi)存郊酒。

4.2 分代收集原理

4.2.1 新生代中對象的分配與回收

大多數(shù)情況下遇绞，對象優(yōu)先在新生代 Eden 區(qū)中分配，當(dāng) Eden 區(qū)沒有足夠空間進(jìn)行分配時燎窘，虛擬機(jī)將發(fā)起一次 Minor GC摹闽。Eden、From Survivor 和 To Survivor 的比例為 8 : 1 : 1褐健，之所以按這個比例是因為絕大多數(shù)對象都是朝生夕滅的付鹿，垃圾收集時 Eden 存活的對象數(shù)量不會太多，Survivor 空間小一點也足以容納铝量，每次新生代中可用內(nèi)存空間為整個新生代容量的90% (Eden 的 80% 加上 To Survivor 的 10%)倘屹，只有From Survivor 空間银亲，即 10% 的新生代是會被“浪費”的慢叨。不會像原始的標(biāo)記-復(fù)制算法那樣浪費一半的內(nèi)存空間。From Survivor 和 To Survivor 的空間并不是固定的务蝠，而是在 S0 和 S1 之間動態(tài)轉(zhuǎn)換的拍谐，第一次 Minor GC 時會選擇 S1 作為 To Survivor，并將 Eden 中存活的對象復(fù)制到其中馏段，并將對象的年齡加1轩拨，注意新生代使用的垃圾收集算法是標(biāo)記-復(fù)制算法的改良版。下面是示意圖院喜，請注意其中第一步的變色是為了醒目亡蓉，虛擬機(jī)只做了標(biāo)記存活對象的操作。

第一次Minor GC示意圖

在后續(xù)的 Minor GC 中喷舀，S0 和 S1會交替轉(zhuǎn)化為 From Survivor 和 To Survivor砍濒，Eden 和 From Survivor 中的存活對象會復(fù)制到 To Survivor 中，并將年齡加 1硫麻。如下圖所示：

循環(huán)進(jìn)行Minor GC示意圖

4.2.2 對象晉升老年代

在以下這些情況下爸邢，對象會晉升到老年代。

1. 長期存活對象將進(jìn)入老年代

   對象在 Survivor 區(qū)中每熬過一次Minor GC拿愧，年齡就增加1歲杠河，當(dāng)它的年齡增加到一定程度 (默認(rèn)為15)，就會被晉升到老年代中。對象晉升老年代的年齡閾值券敌，可以通過參數(shù) -XX:MaxTenuringThreshold 設(shè)置唾戚，這個參數(shù)的最大值是15，因為對象年齡信息儲存在對象頭中待诅，占4個比特 (bit)的內(nèi)存颈走，所能表示最大數(shù)字就是15。

晉升老年代示意圖

2. 大對象可以直接進(jìn)入老年代

   對于大對象咱士，尤其是很長的字符串立由，或者元素數(shù)量很多的數(shù)組，如果分配在 Eden 中序厉，會很容易過早占滿 Eden 空間導(dǎo)致 Minor GC锐膜，而且大對象在 Eden 和兩個 Survivor 之間的來回復(fù)制也還會有很大的內(nèi)存復(fù)制開銷。所以我們可以通過設(shè)置 -XX:PretenureSizeThreshold 的虛擬機(jī)參數(shù)讓大對象直接進(jìn)入老年代弛房。

3. 動態(tài)對象年齡判斷

   為了能更好地適應(yīng)不同程序的內(nèi)存狀況道盏，HotSpot 虛擬機(jī)并不是永遠(yuǎn)要求對象的年齡必須達(dá)到 -XX:MaxTenuringThreshold 才能晉升老年代，如果在 Survivor 空間中相同年齡所有對象大小的總和大于 Survivor 空間的一半文捶，年齡大于或等于該年齡的對象就可以直接進(jìn)入老年代荷逞，無須等到 -XX:MaxTenuringThreshold 中要求的年齡。

4. 空間分配擔(dān)保 (Handle Promotion)

   當(dāng) Survivor 空間不足以容納一次 Minor GC 之后存活的對象時粹排，就需要依賴其他內(nèi)存區(qū)域 (實際上大多數(shù)情況下就是老年代) 進(jìn)行分配擔(dān)保种远。在發(fā)生 Minor GC 之前，虛擬機(jī)必須先檢查老年代最大可用的連續(xù)空間是否大于新生代所有對象總空間顽耳，如果這個條件成立坠敷，那這一次 Minor GC 可以確保是安全的。如果不成立射富，則虛擬機(jī)會先查看 - XX:HandlePromotionFailure 參數(shù)的設(shè)置值是否允許擔(dān)保失敗 (Handle Promotion Failure)膝迎；如果允許，那會繼續(xù)檢查老年代最大可用的連續(xù)空間是否大于歷次晉升到老年代對象的平均大小胰耗，如果大于限次，將嘗試進(jìn)行一次 Minor GC，盡管這次 Minor GC 是有風(fēng)險的柴灯；如果小于卖漫，或者-XX: HandlePromotionFailure設(shè)置不允許冒險，那這時就要改為進(jìn)行一次 Full GC弛槐。

總結(jié)

本文介紹了 JVM 的垃圾收集機(jī)制懊亡，并用大量圖片和動圖來幫助大家理解，如有錯誤乎串，歡迎指正店枣。后續(xù)文章會繼續(xù)介紹 JVM 中的各種垃圾收集器速警，包括最前沿的 ZGC 和 Shenandoah 收集器，是 JVM 領(lǐng)域的最新科技成果鸯两，敬請期待闷旧。

最后是參考文章：

• 《深入理解Java虛擬機(jī)》
• Minor GC vs Major GC vs Full GC
• How Does Garbage Collection Work in Java?
• Major GC和Full GC的區(qū)別是什么？觸發(fā)條件呢钧唐？
• 面試題：JVM忙灼，GC垃圾回收機(jī)制