java垃圾回收机制研究

1.什么是java垃圾回收

       垃圾回收GC（Garbage Collection）简单的一句话介绍：回收无任何引用的对象占据的内存。

        这个java虚拟机实现的，全部咱们java程序员，new了一个对象后，就不用管何时释放这个对象的内存，后面java虚拟机会自动帮咱们释放。

        （咱们知道java中基本的数据类型是在栈里面，因此编译器是知道该数据的存活时间，能够自动释放，可是java的对象都是在堆里存储，是经过new出来了，没有像c++中的局部对象，因此编译器也就不知道存储的数据在堆里存活活多长时间，因此要程序来释放，c++中经过析构函数释放，而java基本经过虚拟机垃圾回收释放，不用本身写）

        其实垃圾回收并非java的专利，不少语言都有垃圾回收机制,1960年 基于MIT的Lisp首先提出了垃圾回收的概念，用于处理C语言等不停的析构操做，而这时Java尚未出世呢！因此实际上GC并非Java的专利，GC的历史远远大于Java的历史！               

   其实垃圾回收机制主要作如下两件事

       1.回收无任何引用的对象占据的内存空间

       2.整理内存碎片，将其融合。

       因为建立对象和垃圾回收器释放对象，因此会出现内存碎片，碎片是分配给对象块之间的内存空洞，碎片整理是将对象让其一个挨着一个，推到堆的一边，这样整理出来的内存就能够分给新建立的对象了。

2.为何要研究垃圾回收机制

      理解GC工做机制能够帮助你写出更好的Java应用程序，咱们能够：

一、    排查内存溢出

二、    排查内存泄漏

三、    性能调优，排查并发瓶颈

       不少人误觉得java有了垃圾回收机制以后，就不会有内存泄漏，这是错误的理解，由于java里面的对象并不是老是被垃圾回收，及对象可能不被垃圾回收，有些特殊状况，即经过建立对象之外的方式为对象分配了存储空间。这种时候，垃圾回收就不会回收，咱们可使用finalize()的方式来释放内存，这种特殊状况举例：分配内存时可能用到了相似C语言中的作法，而非java中的一般作法，这种状况主要发生在“本地方法”的状况下，本地方法是一种在java中调用非java代码的方式。

3.垃圾回收机制的原理和算法

3.1  引用记数法

        是一种很简单但速度很慢的垃圾回收技术，每一个对象都含有一个引用计数器，当有引用链接至该对象的时候，引用记数加1，当引用离开做用域或被置为null时，引用记数减一，虽然管理引用记数的开销不大，可是这项开销在整个程序生命周期中将持续发送，垃圾回收器会在含有所有对象的列表上遍历，当发现某个对象的引用记数为0时，就释放其占用的空间。

当咱们的代码出现下面的情形时，该算法将没法适应

a)         ObjA.obj = ObjB

b)         ObjB.obj - ObjA

                 这样的代码会产生以下引用情形 objA指向objB，而objB又指向objA，这样当其余全部的引用都消失了以后，objA和objB还有一个相互的引用，也就是说两个对象的引用计数器各为1，而实际上这两个对象都已经没有额外的引用，已是垃圾了。

               

     缺点：若是对象之间有循环引用时，可能会出现“对象应该被回收，可是记数却不为零”的状况。

这种垃圾回收机制彷佛从未被应用到任何一种java虚拟机中。

3.2 根搜索算法

         在如今的垃圾回收器基本采用的是这种方法来寻找活的对象，这种思路的原理是，任何 “活”的对象，必定能最终追溯到其存活在堆栈或静态存储区之中的引用，这个引用链条可能会穿过数个对象层次。

         因此根搜索算法以下：

         从堆栈和静态存储区开始，遍历全部的引用，就能找到全部“活”的对象。对于发现的每一个引用，必须追踪他所引用的对象，若是这个对象还包含引用，就必须追踪这些引用的所引用的对象，依次递归下去，直到“根源于堆栈和静态存储区中引用”所造成的网络被所有访问为止，你所访问过的对象必须是“活”的。

       这样就解决了“交互自引用”的对象组的问题---由于这种对象根本就不会被发现，所以也就被自动回收了。

       算法以下图

其实根节点能够是以下：

•     虚拟机栈中引用的对象（本地变量表）
•     方法区中静态属性引用的对象
•     方法区中常量引用的对象
•     本地方法栈中引用的对象（Native对象）

       如今的垃圾收集器基本都是使用这个方法来收集垃圾，而收集后的垃圾是经过什么算法来回收的呢？

一、    标记-清除算法

二、    复制算法

三、    标记-整理算法

四、    分代收集算法

咱们来逐一过一下

一、    标记-清除算法

        

 

 

标记-清除算法采用从根集合进行扫描，对存活的对象对象标记，标记完毕后，再扫描整个空间中未被标记的对象，进行回收，如上图所示。

标记-清除算法不须要进行对象的移动，而且仅对不存活的对象进行处理，在存活对象比较多的状况下极为高效，但因为标记-清除算法直接回收不存活的对象，所以会形成内存碎片！

二、    复制算法

 

 

 

   

 复制算法采用从根集合扫描，并将存活对象复制到一块新的，没有使用过的空间中，这种算法当控件存活的对象比较少时，极为高效，可是带来的成本是须要一块内存交换空间用于进行对象的移动。也就是咱们前面提到的s0 s1等空间。

 

三、    标记-整理算法

 

 

 

  

 标记-整理算法采用标记-清除算法同样的方式进行对象的标记，但在清除时不一样，在回收不存活的对象占用的空间后，会将全部的存活对象往左端空闲空间移动，并更新对应的指针。标记-整理算法是在标记-清除算法的基础上，又进行了对象的移动，所以成本更高，可是却解决了内存碎片的问题。

四、分代收集算法

       当前的商业虚拟机中基本都是使用“分代收集”算法，这种算法并无什么新的思想，只是根据对象存活周期的不一样将内存划分为几块，通常是把java堆分为了新生代和老年代，在新生代中，每次垃圾收集时都发现有大批对象死去，只有少许存活，而老年代中对象存活率高，这样就能够根据各个年代的特定采用最适当的收集算法。

       目前大部分垃圾收集器对于新生代都采起stop-copy算法，由于新生代中每次都要回收大量的对象，因此复制的对象少，可是实际中并非按照1：1的比例来划分新生代的空间的，通常来讲是将新生代划分为一块较大的Eden空间和两块较小的Survivor空间，每次使用Eden空间和其中的一块Survivor空间，当进行回收时，将Eden和Survivor中还存活的对象复制到另外一块Survivor空间中，而后清理掉Eden和刚才使用过的Survivor空间。

       而因为老年代的特色是每次回收都只回收少许对象，通常使用的是Mark-Compact算法。

　    对象的内存分配，往大方向上讲就是在堆上分配，对象主要分配在新生代的Eden Space和From Space，少数状况下会直接分配在老年代。若是新生代的Eden Space和From Space的空间不足，则会发起一次GC，若是进行了GC以后，Eden Space和From Space可以容纳该对象就放在Eden Space和From Space。在GC的过程当中，会将Eden Space和From  Space中的存活对象移动到To Space，而后将Eden Space和From Space进行清理。若是在清理的过程当中，To Space没法足够来存储某个对象，就会将该对象移动到老年代中。在进行了GC以后，使用的即是Eden space和To Space了，下次GC时会将存活对象复制到From Space，如此反复循环。当对象在Survivor区躲过一次GC的话，其对象年龄便会加1，默认状况下，若是对象年龄达到15岁，就会移动到老年代中。

什么状况下触发垃圾回收

    因为对象进行了分代处理，所以垃圾回收区域、时间也不同。GC有两种类型：Scavenge GC和Full GC。

 

Scavenge GC

    通常状况下，当新对象生成，而且在Eden申请空间失败时，就会触发Scavenge GC，对Eden区域进行GC，清除非存活对象，而且把尚且存活的对象移动到Survivor区。而后整理Survivor的两个区。这种方式的GC是对年轻代的Eden区进行，不会影响到年老代。由于大部分对象都是从Eden区开始的，同时Eden区不会分配的很大，因此Eden区的GC会频繁进行。于是，通常在这里须要使用速度快、效率高的算法，使Eden去能尽快空闲出来。

 

Full GC

    对整个堆进行整理，包括Young、Tenured和Perm。Full GC由于须要对整个对进行回收，因此比Scavenge GC要慢，所以应该尽量减小Full GC的次数。在对JVM调优的过程当中，很大一部分工做就是对于FullGC的调节。有以下缘由可能致使Full GC：

· 年老代（Tenured）被写满

· 持久代（Perm）被写满 

· System.gc()被显示调用 

·上一次GC以后Heap的各域分配策略动态变化

4.java中典型的垃圾收集器

垃圾收集算法是 内存回收的理论基础，而垃圾收集器就是内存回收的具体实现。下面介绍一下HotSpot（JDK 7)虚拟机提供的几种垃圾收集器，用户能够根据本身的需求组合出各个年代使用的收集器。

　　1.Serial/Serial Old

　　Serial/Serial Old收集器是最基本最古老的收集器，它是一个单线程收集器，而且在它进行垃圾收集时，必须暂停全部用户线程。Serial收集器是针对新生代的收集器，采用的是Copying算法，Serial Old收集器是针对老年代的收集器，采用的是Mark-Compact算法。它的优势是实现简单高效，可是缺点是会给用户带来停顿。

　　2.ParNew

　　ParNew收集器是Serial收集器的多线程版本，使用多个线程进行垃圾收集。

　　3.Parallel Scavenge

　　Parallel Scavenge收集器是一个新生代的多线程收集器（并行收集器），它在回收期间不须要暂停其余用户线程，其采用的是Copying算法，该收集器与前两个收集器有所不一样，它主要是为了达到一个可控的吞吐量。

　　4.Parallel Old

　　Parallel Old是Parallel Scavenge收集器的老年代版本（并行收集器），使用多线程和Mark-Compact算法。

　　5.CMS

　　CMS（Current Mark Sweep）收集器是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器，它是一种并发收集器，采用的是Mark-Sweep算法。

   

CMS 处理过程有七个步骤： 
        a. 初始标记(CMS-initial-mark) ,会致使swt； 
        b. 并发标记(CMS-concurrent-mark)，与用户线程同时运行； 
        c. 预清理（CMS-concurrent-preclean），与用户线程同时运行； 
        d. 可被终止的预清理（CMS-concurrent-abortable-preclean） 与用户线程同时运行； 
        e. 从新标记(CMS-remark) ，会致使swt； 
        f. 并发清除(CMS-concurrent-sweep)，与用户线程同时运行； 
        g. 并发重置状态等待下次CMS的触发(CMS-concurrent-reset)，与用户线程同时运行； 

　　6.G1

　　G1收集器是当今收集器技术发展最前沿的成果，它是一款面向服务端应用的收集器，它能充分利用多CPU、多核环境。所以它是一款并行与并发收集器，而且它能创建可预测的停顿时间模型。

参考资料

    http://jbutton.iteye.com/blog/1569746

    http://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3783345.html

    http://pengjiaheng.iteye.com/blog/524024

    https://www.jianshu.com/p/2a1b2f17d3e4

    https://blog.csdn.net/zqz_zqz/article/details/70568819