Java 技术之垃圾回收机制

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垃圾回收机制是 Java 非常重要的特性之一，也是面试题的常客。它让开发者无需关注空间的创建和释放，而是以守护进程的形式在后台自动回收垃圾。这样做不仅提高了开发效率，更改善了内存的使用状况。

今天本文来对垃圾回收机制进行讲解，主要涉及下面几个问题：

什么是堆内存？

什么是垃圾？

有哪些方法回收这些垃圾？

什么是分代回收机制？

什么是 Java 堆内存

堆是在 JVM 启动时创建的，主要用来维护运行时数据，如运行过程中创建的对象和数组都是基于这块内存空间。Java 堆是非常重要的元素，如果我们动态创建的对象没有得到及时回收，持续堆积，最后会导致堆空间被占满，内存溢出。

因此，Java 提供了一种垃圾回收机制，在后台创建一个守护进程。该进程会在内存紧张的时候自动跳出来，把堆空间的垃圾全部进行回收，从而保证程序的正常运行。

那什么是垃圾呢？

所谓“垃圾”，就是指所有不再存活的对象。常见的判断是否存活有两种方法：引用计数法和可达性分析。

引用计数法

为每一个创建的对象分配一个引用计数器，用来存储该对象被引用的个数。当该个数为零，意味着没有人再使用这个对象，可以认为“对象死亡”。但是，这种方案存在严重的问题，就是无法检测“循环引用”：当两个对象互相引用，即时它俩都不被外界任何东西引用，它俩的计数都不为零，因此永远不会被回收。而实际上对于开发者而言，这两个对象已经完全没有用处了。

因此，Java 里没有采用这样的方案来判定对象的“存活性”。

可达性分析

这种方案是目前主流语言里采用的对象存活性判断方案。基本思路是把所有引用的对象想象成一棵树，从树的根结点 GC Roots 出发，持续遍历找出所有连接的树枝对象，这些对象则被称为“可达”对象，或称“存活”对象。其余的对象则被视为“死亡”的“不可达”对象，或称“垃圾”。

参考下图，object5,object6 和 object7 便是不可达对象，视为“死亡状态”，应该被垃圾回收器回收。

GC Roots 究竟指谁呢？

我们可以猜测，GC Roots 本身一定是可达的，这样从它们出发遍历到的对象才能保证一定可达。那么，Java 里有哪些对象是一定可达呢？主要有以下四种：

虚拟机栈（帧栈中的本地变量表）中引用的对象。

方法区中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 引用的对象。

不少读者可能对这些 GC Roots 似懂非懂，这涉及到 JVM 本身的内存结构等等，未来的文章会再做深入讲解。这里只要知道有这么几种类型的 GC Roots，每次垃圾回收器会从这些根结点开始遍历寻找所有可达节点。

有哪些方式来回收这些垃圾呢？

上面已经知道，所有 GC Roots 不可达的对象都称为垃圾，参考下图，黑色的表示垃圾，灰色表示存活对象，绿色表示空白空间。



那么，我们如何来回收这些垃圾呢？

标记－清理

第一步，所谓“标记”就是利用可达性遍历堆内存，把“存活”对象和“垃圾”对象进行标记，得到的结果如上图；

第二步，既然“垃圾”已经标记好了，那我们再遍历一遍，把所有“垃圾”对象所占的空间直接 清空 即可。

结果如下：



这便是 标记－清理 方案，简单方便 ，但是容易产生 内存碎片。

标记－整理

既然上面的方法会产生内存碎片，那好，我在清理的时候，把所有 存活 对象扎堆到同一个地方，让它们待在一起，这样就没有内存碎片了。

结果如下：



这两种方案适合 存活对象多，垃圾少 的情况，它只需要清理掉少量的垃圾，然后挪动下存活对象就可以了。

复制

这种方法比较粗暴，直接把堆内存分成两部分，一段时间内只允许在其中一块内存上进行分配，当这块内存被分配完后，则执行垃圾回收，把所有 存活 对象全部复制到另一块内存上，当前内存则直接全部清空。

参考下图：



起初时只使用上面部分的内存，直到内存使用完毕，才进行垃圾回收，把所有存活对象搬到下半部分，并把上半部分进行清空。

这种做法不容易产生碎片，也简单粗暴；但是，它意味着你在一段时间内只能使用一部分的内存，超过这部分内存的话就意味着堆内存里频繁的 复制清空。

这种方案适合 存活对象少，垃圾多 的情况，这样在复制时就不需要复制多少对象过去，多数垃圾直接被清空处理。

Java 的分代回收机制

上面我们看到有至少三种方法来回收内存，那么 Java 里是如何选择利用这三种回收算法呢？是只用一种还是三种都用呢？

Java 的堆结构

在选择回收算法前，我们先来看一下 Java 堆的结构。

一块 Java 堆空间一般分成三部分，这三部分用来存储三类数据：

刚刚创建的对象。在代码运行时会持续不断地创造新的对象，这些新创建的对象会被统一放在一起。因为有很多局部变量等在新创建后很快会变成 不可达 的对象，快速死去 ，因此这块区域的特点是 存活对象少，垃圾多 。形象点描述这块区域为： 新生代；

存活了一段时间的对象。这些对象早早就被创建了，而且一直活了下来。我们把这些 存活时间较长 的对象放在一起，它们的特点是 存活对象多，垃圾少 。形象点描述这块区域为： 老年代；

永久存在的对象。比如一些静态文件，这些对象的特点是不需要垃圾回收，永远存活。形象点描述这块区域为：永久代 。（不过在 Java 8 里已经把 永久代 删除了，把这块内存空间给了 元空间，后续文章再讲解。）

也就是说，常规的 Java 堆至少包括了 新生代 和 老年代 两块内存区域，而且这两块区域有很明显的特征：

新生代：存活对象少、垃圾多

老年代：存活对象多、垃圾少

结合新生代／老年代的存活对象特点和之前提过的几种垃圾回收算法，可以得到如下的回收方案：

新生代－复制 回收机制

对于新生代区域，由于每次 GC 都会有大量新对象死去，只有少量存活。因此采用 复制 回收算法，GC 时把少量的存活对象复制过去即可。

那么如何设计这个 复制 算法比较好呢？有以下几种方式：

思路 1. 把内存均分成 1:1 两等份

如下图拆分内存。



每次只使用一半的内存，当这一半满了后，就进行垃圾回收，把存活的对象直接复制到另一半内存，并清空当前一半的内存。

这种分法的缺陷是相当于只有一半的可用内存，对于新生代而言，新对象持续不断地被创建，如果只有一半可用内存，那显然要持续不断地进行垃圾回收工作，反而影响到了正常程序的运行，得不偿失。

思路 2. 把内存按 9:1 分

既然上面的分法导致可用内存只剩一半，那么我做些调整，把 1:1变成9:1，



最开始在 9 的内存区使用，当 9 快要满时，执行复制回收，把 9 内仍然存活的对象复制到 1 区，并清空 9 区。

这样看起来是比上面的方法好了，但是它存在比较严重的问题。

当我们把 9 区存活对象复制到 1 区时，由于内存空间比例相差比较大，所以很有可能 1 区放不满，此时就不得不把对象移到 老年区 。而这就意味着，可能会有一部分 并不老 的 9 区对象由于 1 区放不下了而被放到了 老年区 ，可想而知，这破坏了 老年区 的规则。或者说，一定程度上的 老年区 并不一定全是 老年对象。

那应该如何才能把真正比较 老 的对象挪到 老年区 呢？

思路 3. 把内存按 8:1:1 分



既然 9:1 有可能把年轻对象放到 老年区 ，那就换成 8:1:1，依次取名为 Eden、Survivor A、Survivor B 区，其中 Eden 意为伊甸园，形容有很多新生对象在里面创建；Survivor区则为幸存者，即经历 GC 后仍然存活下来的对象。

工作原理如下：

1、首先，Eden区最大，对外提供堆内存。当 Eden 区快要满了，则进行 Minor GC，把存活对象放入 Survivor A 区，清空 Eden 区；

2、Eden区被清空后，继续对外提供堆内存；

3、当 Eden 区再次被填满，此时对 Eden 区和 Survivor A 区同时进行 Minor GC，把存活对象放入 Survivor B 区，同时清空 Eden 区和Survivor A 区；

4、Eden区继续对外提供堆内存，并重复上述过程，即在 Eden 区填满后，把 Eden 区和某个 Survivor 区的存活对象放到另一个 Survivor 区；

5、当某个 Survivor 区被填满，且仍有对象未被复制完毕时，或者某些对象在反复 Survive 15 次左右时，则把这部分剩余对象放到Old 区；

6、当 Old 区也被填满时，进行 Major GC，对 Old 区进行垃圾回收。

[注意，在真实的 JVM 环境里，可以通过参数 SurvivorRatio 手动配置 Eden 区和单个 Survivor 区的比例，默认为 8。]

那么，所谓的 Old 区垃圾回收，或称Major GC，应该如何执行呢？

老年代－标记整理 回收机制

根据上面我们知道，老年代一般存放的是存活时间较久的对象，所以每一次 GC 时，存活对象比较较大，也就是说每次只有少部分对象被回收。

因此，根据不同回收机制的特点，这里选择 存活对象多，垃圾少 的标记整理 回收机制，仅仅通过少量地移动对象就能清理垃圾，而且不存在内存碎片化。

至此，我们已经了解了 Java 堆内存的分代原理，并了解了不同代根据各自特点采用了不同的回收机制，即 新生代 采用 回收 机制，老年代 采用 标记整理 机制。

小结

垃圾回收是 Java 非常重要的特性，也是高级 Java 工程师的必经之路。

作者：wingjay

转自：http://wingjay.com/2017/05/24/Java-%E6%8A%80%E6%9C%AF%E4%B9%8B%E5%9E%83%E5%9C%BE%E5%9B%9E%E6%94%B6%E6%9C%BA%E5%88%B6/