JVM学习 GC垃圾回收机制 (堆内存结构、GC分类、四大垃圾回收算法)

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👀 文章专栏：《JVM 学习笔记》 ，本专栏会专门记录博主在学习 JVM 中学习的知识点，以及遇到的问题。
 
🙉 文章详情： 本篇博客是学习 【狂神说Java】JVM快速入门篇 的学习笔记，关于 GC垃圾回收机制 (堆内存结构、GC分类、四大垃圾回收算法) 知识点的学习总结，由于这三个知识点的相互联系，所以放在一起进行描述介绍。
 
🍑ʜᴀ͟ᴘ͟ᴘ͟ʏᴇᴠᴇʀʏᴅᴀʏ̆̈🍅 𝓙𝓥𝓜 𝓯𝓻𝓸𝓶 𝓫𝓮𝓰𝓲𝓷𝓷𝓮𝓻 𝓽𝓸 𝓹𝓻𝓸𝓯𝓲𝓬𝓲𝓮𝓷𝓽

 

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一、堆

1. JVM体系结构图

简单回顾下 JVM体系结构图 ，后续将针对 堆 进行展开学习。

 

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2. 堆

Heap 堆，一个JVM实例只存在一个堆内存，堆内存的大小是可以调节的；

类加载器读取了类文件后，需要 把类，方法，常变量放到堆内存中，保存所有引用类型的真实信息，以方便执行器执行；

 

堆内存逻辑上分为三部分：新生，养老，永久 (元空间 : JDK8 以后名称)

GC垃圾回收主要是在 新生区和养老区，又分为 轻GC 和 重GC。

如果内存满了，OOM 堆内存不够，就会导致java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

堆内存结构
新生区 Young Generation Space	Young/New
养老区 Tenure generation space	Old/Tenure
永久区 Permanent Space	Perm

 

新生区：

新生区是类诞生，成长，消亡的区域，一个类在这里产生，应用，最后被垃圾回收器收集，结束生命。

新生区又分为两部分：伊甸区（Eden Space）和幸存者区（Survivor Space），所有的类都是在伊甸区被new出来的；

幸存区有两个：0区 和 1区；

当伊甸园的空间用完时，程序又需要创建对象，JVM的垃圾回收器将对伊甸园区进行垃圾回收 (Minor GC)。

 
养老区

将伊甸园中的剩余对象移动到幸存0区，若幸存0区也满了，再对该区进行垃圾回收，然后移动到1区，那如果1区也满了呢？

（这里幸存0区和1区是一个互相交替的过程）

就再移动到养老区，若养老区也满了，那么这个时候将产生 MajorGC（Full GC），进行养老区的内存清理，若养老区执行了Full GC 后发现依然无法进行对象的保存，就会 产生OOM异常“OutOfMemoryError ”。

如果出现 java.lang.OutOfMemoryError：java heap space异常，说明Java虚拟机的堆内存不够，原因如下：

1、Java虚拟机的堆内存设置不够，可以通过参数 -Xms（初始值大小），-Xmx（最大大小）来调整。

2、代码中创建了 大量大对象，并且长时间不能被垃圾收集器收集（存在被引用）或者死循环了。

 

永久区（Perm）：

​ 永久存储区是一个常驻内存区域，用于存放JDK自身所携带的Class，Interface的元数据，也就是说它存储的是运行环境必须的类

信息，被装载进此区域的数据是不会被垃圾回收器回收掉的，关闭JVM才会释放此区域所占用的内存。

如果出现 java.lang.OutOfMemoryError：PermGen space ，说明是 Java虚拟机对永久代Perm内存设置不够。一般出现这种情况，

都是程序启动需要加载大量的第三方jar包。

​ 例如：在一个Tomcat下部署了太多的应用。或者大量动态反射生成的类不断被加载，最终导致Perm区被占满。

Jdk1.6之前： 有永久代，常量池1.6在方法区

Jdk1.7： 有永久代，但是已经逐步 “去永久代”，常量池1.7在堆

Jdk1.8及之后：无永久代，常量池1.8在元空间

 

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二、GC分类

熟悉堆的三区结构后，方可学习JVM垃圾回收机制。

记住GC口诀： 分代收集算法

次数频繁Young区，次数较少Old区，基本不动Perm（永久区）区

 

JVM在GC时，并非每次都对上面三个内存区域一起回收的，大部分时候回收的都是新生代

GC安装回收的区域分成两种：普通GC（minor GC），全局GC（major GC or Full GC）

普通GC：只针对新生代的GC

全局GC：针对老年代的GC，偶尔伴随对新生代的GC以及对永久代的GC

 

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三、GC四大算法

1. 引用计数法

每个对象有一个引用计数器，当对象被引用一次则计数器加1，当对象引用失效一次，则计数器减1；
对于计数器为0的对象意味着是垃圾对象，可以被GC回收。

目前虚拟机基本都是采用 可达性算法 ，从 GC Roots 作为起点开始搜索，那么整个连通图中的对象里边都是活对象，对于GC Roots 无法到达的对象变成了垃圾回收对象，随时可被GC回收。

 

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2. 复制算法

年轻代中使用的是 Minor GC，采用的就是 复制算法 (Copying)

 

好处：没有内存碎片，坏处：浪费内存空间

劣势：
1、他浪费了一半的内存，这太要命了.

2、如果对象的存活率很高，我们可以极端一点，假设是100%存活，那么我们需要将所有对象都复制一遍，并将所有引用地址重置一遍。

复制这一工作所花费的时间，在对象存活率达到一定程度时，将会变的不可忽视，所以从以上描述不难看出。
复制算法要想使用，最起码对象的存活率要非常低才行，而且最重要的是，我们必须要克服50%的内存浪费。

 

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3. 标记清除（Mark-Sweep）

扫描（Mark）：从根集合开始扫描，对存活的对象进行标记
 
清除（Sweep）：扫描整个内存空间，回收未标记的对象，使用free-list记录可用区域

优点：不需要额外的空间；

缺点：两次扫描，验证浪费时间，会产生内存碎片；

 

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4. 标记清除压缩算法（Mark-Sweep-Compact）

进一步优化——标记压缩（Mark-Compact）

 

最终版本算法 —— 先标记清除几次，再进行压缩

 

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总结

内存效率：复制算法 > 标记清除算法 > 标记整理算法 (时间复杂度)
 
内存整齐度：复制算法 = 标记整理算法 > 标记清除算法
 
内存利用率：标记整理算法 = 标记清除算法 > 复制算法

可以看出，效率上来说，复制算法是当之无愧的老大，但是却浪费了太多内存，而为了尽量兼顾上面所提到的三个指标，标记整理算法相对来说更平滑一些 ， 但是效率上依然不尽如人意，它比复制算法多了一个标记的阶段，又比标记清除多了一个整理内存的过程。

 

【问】难道就没有一种最优算法吗？

答案 ： 无，没有最好的算法，只有最合适的算法 —— GC: 分代收集算法

年轻代：

• 存活率低
• 使用复制算法

 

老年代：

• 区域大，存活率高
• 标记清除（内存碎片不是太多的时候） + 标记压缩混合

 

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