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深入理解Java虚拟机(JVM) --- 垃圾收集算法(中)

2 回收无效对象的过程

当经可达性算法筛选出失效的对象之后,并不是立即清除,而是再给对象一次重生的机会

判断是否覆盖finalize()
- 未覆盖该或已调用过该方法,直接释放对象内存

已覆盖该方法且还未被执行,则将finalize()扔到F-Queue队列中

执行F-Queue中的finalize()
虚拟机会以较低的优先级执行这些finalize(),不会确保所有的finalize()都会执行结束

如果finalize()中出现耗时操作,虚拟机就直接停止执行,将该对象清除

对象重生或死亡
- 如果在执行finalize()方法时,将this赋给了某一个引用,则该对象重生
- 如果没有,那么就会被垃圾收集器清除

注意:强烈不建议使用finalize()进行任何操作!

如果需要释放资源,请用try-finally或者其他方式都能做得更好.

因为finalize()不确定性大,开销大,无法保证各个对象的调用顺序.

以下代码示例看到:一个对象的finalize被执行,但依然可以存活

/**
 * 演示两点:
 * 1.对象可以在被GC时自救
 * 2.这种自救机会只有一次,因为一个对象的finalize()最多只能被系统自动调用一次,因此第二次自救失败
 * @author sss
 * @since 17-9-17 下午12:02
 *
 */
public class FinalizeEscapeGC {

    private static FinalizeEscapeGC SAVE_HOOK = null;

    private void isAlive() {
        System.out.println("yes,I am still alive :)");
    }

    @Override
    protected void finalize() throws Throwable {
        super.finalize();
        System.out.println("finalize methodd executed!");
        FinalizeEscapeGC.SAVE_HOOK = this;
    }


    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SAVE_HOOK = new FinalizeEscapeGC();

        // 对象第一次成功自救
        SAVE_HOOK = null;
        System.gc();
        // 因为finalize方法优先级很低,所以暂停0.5s以等待它
        Thread.sleep(500);
        if (SAVE_HOOK != null) {
            SAVE_HOOK.isAlive();
        } else {
            System.out.println("no,I am dead :(");
        }

        // 自救失败
        SAVE_HOOK = null;
        System.gc();
        Thread.sleep(500);
        if (SAVE_HOOK != null) {
            SAVE_HOOK.isAlive();
        } else {
            System.out.println("no,I am dead :(");
        }
    }
}

运行结果

finalize methodd executed!
yes,I am still alive :)
no,I am dead :(

3 方法区的内存回收

使用 复制算法 实现堆的内存回收,堆被分为 新生代 和 老年代

新生代中的对象"朝生夕死",每次垃圾回收都会清除掉大量对象
老年代中的对象生命较长,每次垃圾回收只有少量的对象被清除

由于方法区中存放生命周期较长的类信息、常量、静态变量.

因此方法区就像堆的老年代,每次GC只有少量垃圾被清除.

方法区中主要清除两种垃圾

废弃常量
无用类

3.1 回收废弃常量

回收废弃常量和回收对象类似,只要常量池中的常量不被任何变量或对象引用,那么这些常量就会被清除.

3.2 回收无用类

判定无用类的条件则较为苛刻

该类所有实例都已被回收

即Java堆不存在该类的任何实例

加载该类的ClassLoader已被回收
该类的java.lang.Class对象没有被任何对象或变量引用,无法通过反射访问该类的方法

只要一个类被虚拟机加载进方法区,那么在堆中就会有一个代表该类的对象:java.lang.Class.这个对象在类被加载进方法区的时候创建,在方法区中该类被删除时清除.

4 垃圾收集算法

4.1 清除(Sweep)

最基础 的收集算法,后续算法也都是基于此并改进其不足而得.

该算法会从每个GC Roots出发，依次标记有引用关系的对象，最后将没有被标记的对象清除

把死亡对象所占据的内存标记为空闲内存，并记录在一个空闲列表（free list）之中

当需要新建对象时，内存管理模块便会从该空闲列表中寻找空闲内存，并划分给新建的对象。

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不足

清除这种回收方式的原理及其简单，但是有两个缺点

内存碎片

由于Java虚拟机的堆中对象必须是连续分布的，因此可能出现总空闲内存足够，但是无法分配的极端情况。

分配效率较低

如果是一块连续的内存空间，那么我们可以通过指针加法（pointer bumping）来做分配

而对于空闲列表，Java虚拟机则需要逐个访问列表中的项，来查找能够放入新建对象的空闲内存。

第二种是压缩（compact），即把存活的对象聚集到内存区域的起始位置，从而留下一段连续的内存空间。这种做法能够解决内存碎片化的问题，但代价是压缩算法的性能开销。

这种算法会带来大量的空间碎片，导致需要分配一个较大连续空间时容易触发FullGC,降低了空间利用率.

为了解决这个问题，又提出了“标记-整理算法”，该算法类似计算机的磁盘整理，首先会从GC Roots出发标记存活的对象，然后将存活对象整理到内存空间的一端，形成连续的已使用空间，最后把已使用空间之外的部分全部清理掉，这样就不会产生空间碎片的问题

4.2 复制算法(Copy)

把内存区域分为两等分，分别用两个指针from和to来维护，并且只是用from指针指向的内存区域来分配内存。

当发生垃圾回收时，便把存活的对象复制到to指针指向的内存区域中，并且交换from指针和to指针的内容。复制这种回收方式同样能够解决内存碎片化的问题，但是它的缺点也极其明显，即堆空间的使用效率极其低下。

将内存分成大小相等两份,只将数据存储在其中一块上

当需要回收时,首先标记废弃数据
然后将有用数据复制到另一块内存
最后将第一块内存空间全部清除

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4.2.1 分析

这种算法避免了空间碎片,但内存缩小了一半.
每次都需将有用数据全部复制到另一片内存,效率不高

4.2.2 解决空间利用率问题

堆内存空间分为较大的Eden和两块较小的Survivor,每次只使用Eden和Survivor区的一块。这种情形下的“ Mark-Copy"减少了内存空间的浪费。“Mark-Copy”现作为主流的YGC算法进行新生代的垃圾回收。

在新生代中,由于大量对象都是"朝生夕死",也就是一次垃圾收集后只有少量对象存活

因此我们可以将内存划分成三块

Eden、Survior1、Survior2

内存大小分别是8:1:1

分配内存时,只使用Eden和一块Survior1.

Minor GC

通过这种方式,只需要浪费10%的内存空间即可实现带有压缩功能的垃圾收集方法,避免了内存碎片的问题.

4.2.3 分配担保

准备为一个对象分配内存时,发现此时Eden+Survior中空闲的区域无法装下该对象

就会触发 MinorGC (新生代 GC 算法),对该区域的废弃对象进行回收.

但如果MinorGC过后只有少量对象被回收,仍然无法装下新对象

那么此时需要将Eden+Survior中的 所有对象 都 转移到老年代 中,然后再将新对象存入Eden区.这个过程就是"分配担保".

在发生 minor gc 前，虚拟机会检测 老年代最大可用连续空间是否大于新生代所有对象总空间

若成立，minor gc 可确保安全

若不成立，JVM会查看 HandlePromotionFailure 是否允许担保失败

若允许

那么会继续检测老年代最大可用的连续空间是否 > 历次晋升到老年代对象的平均大小

若大于

则将尝试进行一次 minor gc，尽管这次 minor gc 是有风险的

若小于或 HandlePromotionFailure 设置不允许冒险

改为进行一次 full gc (老年代GC)

4.3 压缩算法(Compact)

在回收前,标记过程仍与"清除"一样

但后续不是直接清理可回收对象,而是

将所有存活对象移到一端
直接清掉端边界之外内存

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分析

这是一种 老年代垃圾收集算法 .

老年代中对象一般寿命较长,每次垃圾回收会有大量对象存活

因此如果选用"复制"算法,每次需要較多的复制操作,效率低

而且,在新生代中使用"复制"算法

当 Eden+Survior 都装不下某个对象时,可使用老年代内存进行"分配担保"

而如果在老年代使用该算法,那么在老年代中如果出现 Eden+Survior 装不下某个对象时,没有其他区域给他作分配担保

因此,老年代中一般使用"压缩"算法

4.4 分代收集算法(Generational Collection)

当前商业虚拟机都采用此算法.

根据对象存活周期的不同将Java堆划分为老年代和新生代,根据各个年代的特点使用最佳的收集算法.

老年代中对象存活率高,无额外空间对其分配担保,必须使用"标记-清除"或"标记-压缩"算法
新生代中存放"朝生夕死"的对象,用复制算法,只需要付出少量存活对象的复制成本,就可完成收集

5 Java中引用的种类

Java中根据生命周期的长短,将引用分为4类

强引用

我们平时所使用的引用就是强引用

类似 A a = new A();

即通过关键字new创建的对象所关联的引用就是强引用

只要强引用还存在,该对象永远不会被回收

软引用

一些还有用但并非必需的对象

只有当堆即将发生OOM异常时,JVM才会回收软引用所指向的对象.

软引用通过SoftReference类实现

软引用的生命周期比强引用短一些

弱引用

也是描述非必需对象,比软引用更弱

所关联的对象只能存活到下一次GC发生前.

只要垃圾收集器工作,无论内存是否足够,弱引用所关联的对象都会被回收.

弱引用通过WeakReference类实现.

虚引用

也叫幽灵(幻影)引用,最弱的引用关系.

它和没有引用没有区别,无法通过虚引用取得对象实例.

设置虚引用唯一的作用就是在该对象被回收之前收到一条系统通知.

虚引用通过PhantomReference类来实现.

总结

Java虚拟机中的垃圾回收器采用可达性分析来探索所有存活的对象。它从一系列GC Roots出发，边标记边探索所有被引用的对象。

为了防止在标记过程中堆栈的状态发生改变，Java虚拟机采取安全点机制来实现Stop-the-world操作，暂停其他非垃圾回收线程。

回收死亡对象的内存共有三种方式，分别为：会造成内存碎片的清除、性能开销较大的压缩、以及堆使用效率较低的复制。

今天的实践环节，你可以体验一下无安全点检测的计数循环带来的长暂停。你可以分别测单独跑foo方法或者bar方法的时间，然后与合起来跑的时间比较一下。

// time java SafepointTestp
// 还可以使用如下几个选项
// -XX:+PrintGC
// -XX:+PrintGCApplicationStoppedTime 
// -XX:+PrintSafepointStatistics
// -XX:+UseCountedLoopSafepoints
public class SafepointTest {
  static double sum = 0;

  public static void foo() {
    for (int i = 0; i < 0x77777777; i++) {
      sum += Math.sqrt(i);
    }
  }

  public static void bar() {
    for (int i = 0; i < 50_000_000; i++) {
      new Object().hashCode();
    }
  }

  public static void main(String[] args) {
    new Thread(SafepointTest::foo).start();
    new Thread(SafepointTest::bar).start();
  }
}