JVM学习.02 内存分配和回收策略

1、前言

《JVM学习.01 内存模型》篇讲述了JVM的内存布局，其中每个区域是作用，以及创建实例对象的时候内存区域的工作流程。上文还讲到了关于对象存货后，会被回收清理的过程。今天这里就着重讲一下对象实例是如何被清理回收的，以及清理回收的几种算法。

2、再谈引用

JDK1.2版本之后，对引用的概念进行了扩充，分为强引用，软引用，弱引用，虚引用。这4种引用关系强度依次减弱。

2.1、Strongly Reference 强引用

强应用是最传统的”引用“定义。这种引用关系，无论任何情况（包括OOM异常），只要强引用关系还存在，GC就不会回收掉被引用对象。

声明方式：

Object object = new Object();

2.2、Soft Reference 软引用

一种相对强引用弱化了一些的引用。比如高速缓存就可以用到软引用。当内存足够时就保留，不够时就回收。其中：

• 当系统内存充足的时候，不会被回收；

• 当系统内存不足的时，会将这些对象列进回收范围之中进行第二次回收，如果还是内存不足，才会抛出内存溢出异常。

声明方式：

 SoftReference softReference = new SoftReference<>(obj);

2.3、Weak Reference 弱引用

弱引用的强度比软引用更弱一些。被弱引用关联的对象，生命周期只能到下一次GC。当GC开始工作，无论当前的内存是否够用，都会会受到被弱引用关联的对象。

声明方式：

WeakReference weakReference = new  WeakReference<>(obj);

2.4、Phantom Reference 虚引用

虚引用是最弱的一种引用关系。一个对象是否有虚引用的存在，完全不会对该对象的生存时间构成影响，也无法通过虚引用来取得一个对象实例。虚引用的作用主要是用来跟踪对象被垃圾回收的状态。

设值虚引用关联的唯一目的，就是在这个对象被回收的时候收到一个系统通知，或是后续添加进一步的操作处理。

声明方式：

PhantomReference phantomReference = new PhantomReference<>(obj， rq);

2.5、各引用小结

• 强引用：对象不会被回收，出现OOM

• 软引用：内存不够时才回收（二次清理）

• 弱引用：只要GC就回收

• 虚引用：用于检测对象的GC状态

3、如何判断对象“存活”

3.1、引用计数算法

在JVM中专门开辟一块额外的内存空间，专门用来对实例引用进行技数。一个对象如果在JVM中有被别人引用（关联或持有），则计数器+1；反之，则-1。任何时刻只要计数器为0的对象（没有任何指针对其引用），那么他就是不是存活，需要被清理。

这种的技数方式虽然原理简单，效率也很高，且有不错的案例使用。但是依然存在弊端。

看一段代码：

public class GcReferenceCount {public void testGC(){GcObject gcObj1 = new GcObject(); GcObject gcObj2 = new GcObject(); gcObj1.gcObj = gcObj2;gcObj2.gcObj = gcObj1;gcObj1 = null;gcObj2 = null;// 假设这里发生了gcSystem.gc();}
}class GcObject {GcObject gcObj;
}

上述代码，gcObj1和gcObj2互为引用。就算当gcObj1 = null；gcObj = null；那么计数器永远不可能为0，意味着永远不可能被回收。

3.2、可达性分析算法

通过一系列被称为“GC Roots”的根对象作为起始节点集，从这些节点开始根据引用关系向下搜索，搜索过程所走的路径称为“引用链”。如果某个对象到GC Roots间都没有任何的引用链关联，或者说到GC Roots对象不可达的，则证明此对象是内存垃圾。

通过这种方式可以规避引用计数算法存在的相互指向的问题。也是目前GC中默认的分析标记算法。

网上借来的图：

3.3、并发的可达性分析

这里的并发指的是用户线程和GC线程同时工作。

3.2中提到的可达性分析算法用来断定对象是否存活。理论上要求标记的全过程都基于一个保障一致性的快照中才能进行（假设一边在进行链路搜索，一边用户线程又在更改对象引用指向，那么起初搜索过的路径就会存在歧义）。且往往需要标记的对象又是大多数，这时候随着堆变大而等比例的增加STW（停顿）时间，那么也将直接影响整个系统。

为了解决或降低用户线程的停顿，即要搞为什么必须要在一个能保证一致性的快照中才能进行。引入了”三色标记“算法作为工具来辅助推导。这里将对象按照”是否访问过“分成三种颜色：

• 白色：该对象没有被GC访问过。

• 黑色：该对象被GC访问过，他是安全存活的，且这个对象所有引用都被扫描过。

• 灰色：该对象被GC访问过，但这个对象至少存在一个引用还没被扫描过。

关于并发可达性分析算法，可能存在两个问题：

1、原本消亡的对象被错误标记为存活，这个是可以容忍的。只不过产生了一点浮动垃圾而已，等待下次回收就可以了。

2、原本存活的对象被错误标记为消亡，这个可能会导致系统的致命错误。

关于并发出现”对象消失“问题示意图：

同时满足两个条件时，就会出现”对象消失“的问题：

1、赋值器插入一条或多条从黑色对象到白色对象的新引用；

2、赋值器删除了全部从灰色对象到该白色对象的直接或间接引用；

解决方式：

1、增量更新。破坏第一个条件。当黑色对象插入新的指向白色对象的引用时，把这个新的引用记录下来，等并发标记结束之后，再扫描一次这个记录。比如用一个队列记录下来。可以理解为，黑色对象一旦新插入白色对象的引用之后，它就变回灰色对象了。

2、原始快照。破坏第二个条件。当灰色对象要删除指向白色对象的引用时，就把这个要删除的引用记录下来，等并发标记结束之后，再以这个记录里的灰色对象为根，重新扫描一次。

4、内存回收策略

4.1、标记 - 清除算法

标记：标记处所有需要回收的对象（也可以反过来，标记存活的对象）。

清除：在标记完成后，统一回收所有被标记的对象（如果标记的是需要被回收的对象的话，否则反之）。

网上借的图：

主要缺点：

1、执行效率不稳定。如果Java堆中包含大量对象，且其中大部分是需要被回收的。必须进行大量的标记动作，导致执行效率会随着对象数量增加而降低；

2、空间碎片化。标记，清除后会产生大量不连续的内存碎片。空间碎片太多会导致后面大对象分配时无法找到足够的连续空间。

4.2、标记 - 复制算法

将内存分为大小相等的两块空间，每次只使用其中一块。

标记：标记处所有需要回收的对象（也可以反过来，标记存活的对象）。

复制：当其中一块的内存不足时，将存活的对象复制到另一块内存中。然后把这块的对象清理。

网上借的图：

主要缺点：

1、空间利用率低。以空间换时间的做法，造成空间浪费；其间始终有一块内存没有被使用。

2、效率问题。如果对象有大量都是存活的，那么复制的对象很多，效率自然也会低下。

主要优点：

适合大量对象都是短生命周期的。一次性收集后存活对象很少的情况。同时也避免了空间碎片的问题。

4.3、标记 - 整理算法

结合了标记清除和标记复制的优缺点。

标记：标记处所有需要回收的对象（也可以反过来，标记存活的对象）。

整理：当被标记对象需要被清理时，对存活的对象不进行复制，而是统一向一端移动，然后清理掉端边界外部的内存空间。

网上借的图：

主要缺点：

1、效率问题。每次存活对象的移动，都带来大量的内存重新寻址的计算量， 执行效率较低。甚至低于复制算法。

主要优点：

不会造成空间碎片和空间浪费问题。

4.4、分代收集原则

到目前为止，大多数的回收器都遵循分代垃圾收集原则。

新生代：以标记复制算法居多。大部分对象生命周期较短，采用复制算法可以避免一定的空间碎片问题，且效率比较高

老年代：标记清除或标记整理算法。因为对象的存活时间比较长。

5、小结

到这里，讲述了JVM中的内存回收，以及引用如何被垃圾收集器回收的一些算法。对JVM的内存使用更加了解。其实JVM相关内容看过很多次，但是从来没有过系统性的整理，大部分都停留在脑子中。第一次尝试整理这些内容，一方面可以加深自己的印象，另一方面，通过搜索其他的参考资料，可以发现很多以前忽略的地方。或许这个就是写技术博客的魅力吧。虽然千篇一律，但都是自己手敲原创。respect！

参考资料：《深入理解Java虚拟机》第三版