JVM的垃圾回收机制(GC机制)
在Java代码运行的过程中,JVM发现 某些资源不需要再使用的时候,就会自动把资源所占的内存给回收掉,就不需要程序员自行操作了。“自动回收资源”就是JVM的“垃圾回收机制”,“垃圾回收机制”也称"GC机制"。
对于Java代码来说,"垃圾回收机制"的回收对象就是"堆"上的对象。因为"栈"上的局部变量,跟随栈帧的生命周期,一个方法执行结束,栈帧销毁,内存也就释放了;"方法区"中的静态变量,跟随着"类"的生命周期,因此静态变量是在程序运行期间始终存在的,无需释放。那么"垃圾"就是 "堆"中的对象。
垃圾回收机制可以分为两大步骤:"找垃圾","回收垃圾"。
1. 找垃圾
"找垃圾"有两种方式,分别是 引用计数(python的方式) 和 可达性分析(Java的方式)。
1.1 引用计数
对于一个new出来的对象,会单独安排一块内存空间 来保存一个计数器。这个计数器 就用来描述当前这个对象 有几个引用指向它。当计数器为0时,也就意味着没有引用指向这个对象了,那么这个对象就是"垃圾"了。
1.2 可达性分析
在Java代码运行的过程中,会有一个或一组扫描线程,周期性地扫描代码中的所有对象。这个扫描线程,会从一些特定的对象出发,尽可能地进行遍历访问,把所有能够访问到的对象 标记为 可达。反之,经过扫描之后,没有被标记的对象,就是"垃圾"了。可达性分析 是周期性地进行,会消耗一定地系统资源。
2. 回收垃圾
2.1 标记清除
把找到的"垃圾"对象直接释放掉,这就是标记清除的回收方式。这种方式并不好,因为这样的回收垃圾的方法会导致内存中有很多的内存碎片。随着程序的运行,内存碎片会越来越多,这就会导致后续申请内存空间时非常困难。回收垃圾的目的本就是为了释放内存空间,从而让其它进程申请到内存空间,但这种释放内存的方式并没有达到想要的效果。
如下图,虽然此时内存中共有3MB的空闲内存,但都不是连续的,因此其它进程只能申请到小于等于1MB的内存。
2.2 复制算法
复制算法是对"标记清除"方式的优化,申请到内存之后,只使用内存的一半来存储有效对象。出现有内存碎片时,就将有效对象归类到一起,也就是把有效对象拷贝到 存储有效对象的一半内存中,然后再将另一半内存进行释放。
复制算法能够防止出现内存碎片,但这个方式的内存利用率不高,且如果有效对象很多,拷贝的成本就很大了,效率太低。
2.3 标记整理
标记整理 则是对 标记清除 和 复制算法 的优化,当内存中出现内存碎片时,则会将有效对象拷贝到空闲的内存中,将其覆盖,类似于顺序表删除元素的操作,这样就可以避免内存碎片了。但也涉及到了同样的问题,当需要拷贝的对象太多时,也会有很大的内存开销。
2.4 分代回收
JVM在回收垃圾时,采用的方式一般就是 “分代回收”。此方法则是将堆区 划分为 两个区域,分别是"新生代" 和 "老年代"。"新生代"区域又划分为两个区域,分别是"伊甸区" 和 "幸存区",幸存区被划分为两块大小相同的区域。
刚创建出来的对象都会出现在"新生代"区域,“GC扫描线程” 会对 新生代区域的对象进行扫描。虽然从 对象的诞生 到 第一轮可达性分析扫描的过程 不会间隔较长时间,但在这段时间里,大部分对象都会成为"垃圾"。因为,这段时间对于程序而言,已经是挺长的时间了,在这个时间段中,对象的引用很快就会随着方法的执行完毕就销毁了,那么这些对象就会成为"垃圾"了。
经过一轮扫描之后,幸存下来的对象就会被拷贝到"幸存区"的一半区域中,"伊甸区"的内存就可以整体释放了。虽然这个过程涉及到了拷贝对象的操作,但一般拷贝的对象并不多,因此内存开销是可承受的。GC扫描线程会在后续的扫描过程中,去扫描"幸存区"中的对象。如果幸存区中的对象经过一轮扫描后仍在存在,则会把这个对象拷贝到幸存区的另一半中。在幸存区中,每经过一轮扫描,幸存下来的对象都会被拷贝到幸存区的另一半。幸存的对象在幸存区来回拷贝的过程中,会有许多对象被回收掉。如果经过多次扫描,幸存区中的某些对象一直存在,JVM则会把这些对象放在“老年代”中。相比于“新生代”,“老年代”区域的扫描频率要低,因为JVM认为“老年代”中的对象存活的时间较长。
将整个堆区划分为"新生代"和"老年代",也是为了降低GC扫描的开销。
分代回收则是通过上述的方式来进行垃圾回收,也是综合了 标记清除,复制算法,标记整理的优点,降低内存开销的同时,也避免了内存碎片。
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