聊聊面试中常问的GC机制

GC 中文直译垃圾回收，是一种回收内存空间避免内存泄漏的机制。当 JVM 内存紧张，经过执行 GC 有效回收内存，转而分配给新对象从而实现内存的再利用。 JVM GC 机制虽然无需开发主动参与，减轻很多工做量，可是某些状况下，自动 GC 将会致使系统性能降低，响应变慢，因此这就须要咱们提早了解掌握 GC 机制。当面对这种状况时，才能从容不迫的解决问题。另外 GC机制也是 Java 面试高频考题，了解掌握 GC 是一项必备技能。

学习 GC ，首先咱们解决三个问题:

• 什么是垃圾
• 在哪里回收垃圾
• 怎么回收垃圾

什么是垃圾#

咱们先来看一段简单的代码。

上面代码经过将字符串对象转化成字节数组，而后写入本地文件。方法一旦开始执行，就将会在分配必定内存给新建的对象，而后将引用告诉了 str ， bytes 变量。等到方法执行完毕，方法内部局部变量紧接将就会被销毁。可是这样仅仅销毁了局部变量，却没有带走内存上这些实际的对象。这类再也不起做用，没有被引用的对象，将其归类为垃圾。

在偌大的内存上存活着无数对象， GC 以前须要准确将这些对象标记出来，分为存活对象与垃圾对象。这个过程一旦少标记，那就只能等待下次 GC 标记，再回收，这样将会影响 GC 效率。另外决不能错标记，将正常存活对象标记为垃圾。一旦回收正常存活的对象，可能就会引发程序各类崩溃。

目前有两种算法能够用来标记：

• 引用计数法
• 可达性分析法

引用计数法#

引用计数法经过在对象头分配一个字段，用来存储该对象引用计数。一旦该对象被其余对象引用，计数加 1。若是这个引用失效，计数减 1。当引用计数值为 0 时，表明这个对象已再也不被引用，能够被回收。

引用计数法

如上图所示，当 str 引用堆中对象时，计数值增长为 1。当 str 变为 null 时，既再也不引用该对象，计数值减 1。此时该对象就能够被 GC 回收。

引用计数法只须要判断计数值，因此实现比较简单，这个过程也比较高效。可是存在一个很严重的问题，没法解决对象循环引用问题。

引用计数法-1

从上图能够看到， a , b 再也不引用堆中对象，致使计数减一。此时两个对象内部还存在互相引用，计数值不为 0，此时 GC 没办法回收该对象。

可达性分析法#

这个算法首先须要按照规则查找当前活跃的引用，将其称为 GC Roots 。接着将 GC Roots 做为根节点出发，遍历对象引用关系图，将能够遍历（可达）的对象标记为存活，其他对象当作无用对象。

可达性分析

注意这里是是 引用 ，而不是对象。

从上图能够看到，绿色对象虽然存在循环引用，可是因为这些对象不能被 GC Roots 遍历到，因此将会被回收。

能够被当作 GC Roots 活跃引用包括但不限于如下引用：

• 方法中局部变量
• 静态变量，常量
• JNI handles
• ....

在哪里回收垃圾#

还记得刚开始接触 Java 时，只知道堆栈，对象实例分配在堆中，方法中局部变量位于栈中。实际上 JVM 内存区域划分更加细致，分为：

• 堆
• 方法区
• 虚拟机栈
• 本地方法栈
• 程序计数器

JVM 运行时内存区域划分

如图所示，咱们将内存划分为线程私有与线程共享的区域。方法区与堆都是线程共享的区域，这两部分占用 JVM 大部份内存，剩下三个小弟将会跟线程绑定，随着线程消亡，自动将会被 JVM回收。

堆

堆应该是你们最熟悉的一块区域，几乎全部对象实例都将会在此出生，一般也是虚拟机上占用内存最大一块区域，简直就是 JVM 内存中的大哥大。堆内存内部也不是简简单单一块而已，目前将会根据分代算法，将堆分代，不一样对象位于不一样区域。这一点咱们下文再详细了解。

方法区

方法区将会保存已被虚拟上加载的类信息、常量，静态变量，字节码等信息，堆上的对象正式经过方法区这些信息，才能正确建立出来。

栈

虚拟机栈栈由一系列栈帧组成，每一个栈帧其实表明一个方法，栈帧中将会保存一个方法的局部变量表，方法出入口信息，操做栈等。每当调用一个方法，就将会把这个栈帧压入栈中，执行结束，出栈。

本地方法栈与虚拟机栈比较相似，最大区别在于，虚拟机栈执行的 Java 方法，而本地方法栈将会用来执行 Native 方法服务。下面方法就会在本地方法栈中执行。

<pre class="java" style="margin: 10px 0px; padding: 0px; white-space: pre !important; overflow-wrap: break-word; position: relative !important; color: rgb(49, 70, 89); font-size: 16px; font-style: normal; font-variant-ligatures: normal; font-variant-caps: normal; font-weight: 300; letter-spacing: normal; orphans: 2; text-align: left; text-indent: 0px; text-transform: none; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-text-stroke-width: 0px; background-color: rgb(255, 255, 255); text-decoration-style: initial; text-decoration-color: initial;">

　　

Copy

public static native void arraycopy(Object src, int srcPos, Object dest, int destPos, int length); </pre>

程序计数器

程序计算器能够说是这几块区域占用最小的一部分，可是功能却十分重要。Java 源代码经过编译变成字节码，而后被 JVM 载入运行以后，将会变成一条条指令，而程序计数器的工做就是告诉当前线程下一条须要执行指令。这样即便发生了线程切换，等待恢复的时候，当前线程依然知道接下去要执行的指令。

怎么回收#

目前主流 GC 算法主要分为三种：

• 标记-清除算法
• 复制算法
• 标记-整理算法

标记-清除算法#

这是一个最为基础也是最容易实现的算法，主要实现步骤分为两步：标记，清除。

• 标记：经过上述 GC Roots 标记出可达对象。
• 清除：清理 未标记对象 。

 

ps：这个图着实难画啊。。。。

能够看到通过这个算法回收以后，虽然堆空间被清理出来，可是也产生不少 空间碎片 。这就会致使一个新对象根据堆剩余容量计算，看起来是能够分配，可是实际分配过程，因为没有连续内存，致使虚拟机感知到内存不足，又不得不提早再次触发 GC 。

可能这里你就会有疑惑，为何对象须要分配一块连续的内存？

这里引用一下 R 神@RednaxelaFX 答案。

另外这个算法还有一个不足：标记与清除效率比较低。这就竟会致使 GC 占用时间过长，影响正常程序使用。

复制算法#

为了解决上述效率问题，诞生复制算法。这个算法将可用内存分为两块，每次只使用其中一块，当这一块内存使用完毕，触发 GC ，将会把存活的对象依次复制到另一块上，而后再把已使用过的内存一次性清理。

 

 

这个算法每次只须要操做一半内存， GC 回收以后也不存在任何空间碎片，新对象内存分配时只须要移动堆顶指针，按顺序分配内存便可，实现简单，运行高效。可是这个算法闲置一半内存空间，空间利用效率不高。

PS：复制算法以空间换时间，二者不可兼得

另外对象存活率也会影响复制算法效率。若是对象大部分都是朝生夕死，只须要移动少许存活对象，就能腾出大部分空间。反而若是对象存活率高，这就须要进行较多的复制操做，回收以后也并无多余内存，这就可能致使频繁触发 GC 。

针对这种存活时间长的对象，就须要使用标记-整理算法。

标记-整理算法#

标记-整理算法能够说是标记-清除算法的改进版，改进了清除致使的空间碎片问题。这个算法分为两步：

GC Roots

 

 

虽然标记-整理算法解决了标记-清除算法空间碎片问题，也完整利用整个内存空间，可是这个算法问题效率并不高。相较于标记-清除算法，标记-整理算法多增长整理这一步，因此该算法效率还低于标记-清除算法。

分代收集算法#

从上面三种 GC 算法能够看到，并无一种空间与时间效率都是比较完美的算法，因此只能作的是综合利用各类算法特色将其做用到不用的内存区域。

目前商业虚拟机根据对象存活周期不一样划份内存区域，通常分为新生代，老年代。新对象通常状况都会优先分配在新生代，新生代对象若存活时间大于必定阈值以后，将会移到至老年代。新生代的对象都是短命鬼，老年代的对象都是长寿先生。

新生代每次 GC 以后均可以回收大批量对象，因此比较适合复制算法，只须要付出少许复制存活对象的成本。这里内存划分并无按照 1:1 划分，默认将会按照 8:1:1 划分红 Eden 与两块 Survivor 空间。每次使用 Eden 与一块 Survivor 空间，这样咱们只是闲置 10% 内存空间。不过咱们每次回收并不能保证存活对象小于 10%,在这种状况下就须要依靠老年代的内存分配担保。当 Survivor 空间并不能保存剩余存活对象，就将这些对象经过分配担保进制移动至老年代。

老年代中对象存活率将会特别高，且没有额外空间进行分配担保，因此并不适合复制算法，因此须要使用标记-清除或标记-整理算法。

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