关于网站建设的建议,用户管理系统登录admin,wordpress完整虚拟资源下载类源码,商场设计分析《实战Java虚拟机#xff1a;JVM故障诊断与性能优化 (第2版)》
第4章 垃圾回收的概念与算法
目标#xff1a;
了解什么是垃圾回收学习几种常用的垃圾回收算法掌握可触及性的概念理解 Stop-The-World#xff08;STW#xff09;
4.1. 认识垃圾回收 - 内存管理清洁工
垃圾…《实战Java虚拟机JVM故障诊断与性能优化 (第2版)》
第4章 垃圾回收的概念与算法
目标
了解什么是垃圾回收学习几种常用的垃圾回收算法掌握可触及性的概念理解 Stop-The-WorldSTW
4.1. 认识垃圾回收 - 内存管理清洁工
垃圾回收Garbage Collection简称 GCGC 中的垃圾特指存在于内存中的、不会再被使用的对象如果大量不会被使用的对象一直占着空间在需要内存空间时有可能导致内存溢出。 垃圾回收并不是 JVM 独创的早在 20 世纪 60 年代垃圾回收就已经被 Lisp 语言所使用。现在除了 JavaC#、Python 等语言都运用了垃圾回收的思想。
4.2. 常用的垃圾回收算法 - 清洁工具大 PK
常用的垃圾回收算法包括引用计数法、标记清除法、复制算法、标记压缩法、分代算法和分区算法。
4.2.1. 引用计数法Reference Counting
1.最经典、最古老的一种垃圾收集算法。 2.实现对于一个对象 A只要任何一个对象引用了 A则 A 的引用计数器就加 1当引用失效时引用计数器就减 1。只要对象 A 的引用计数器的值为 0则对象 A 就不可能再被使用。 3.引用计数器的实现为每个对象配备一个整型的计数器即可。 4.问题非常严重的两个问题 1 无法处理循环引用。因此在 Java 的垃圾回收器中没有使用这种算法。 2 引用计算器要求在每次引用产生和消除的时候伴随一个加法操作和一个减法操作对系统性能会有一定的影响。 1一个简单的循环引用问题描述如下有对象 A 和对象 B对象 A 中含有对对象 B 的引用 对象 B 中含有对象 A 的引用。此时对象 A 和对象 B 的引用计数器都不为 0。但是在系统中却不存在任何第 3 个对象引用了对象 A 或对象 B。也就是说对象 A 和对象 B 是应该被回收的垃圾对象但由于垃圾对象间相互引用使垃圾回收器无法识别引起了内存泄漏。 4.2.2. 标记清除法Mark-Sweep
1.标记清除法是现代垃圾回收算法的思想基础 2.标记清除法将垃圾回收分为两个阶段标记阶段和清除阶段 3.实现在标记阶段首先通过根节点标记所有从根节点开始的可达对象。因此未被标记的对象就是未被引用的垃圾对象。然后在清除阶段清除所有未被标记的对象。 4.问题可能产生空间碎片 5.注意标记清除法先通过根节点标记所有的可达对象然后清除所有的不可达对象完成垃圾回收。 如图 4.2 所示使用标记清除法对一块连续的内存空间进行回收。从根节点开始这里显示了 2 个根节点所有的有引用关系的对象均被标记为存活对象箭头表示引用。从根节点起不可达对象均为垃圾对象。在标记操作完成后系统回收所有不可达对象的空间。 如图 4.2 所示回收后的空间是不连续的。在对象的堆空间分配过程中尤其是大对象的内存分配不连续内存空间的工作效率要低于连续空间。因此这也是该算法的最大缺点。 4.2.3. 复制算法Copying
1.核心思想将原有的内存空间分为两块每次只使用其中一块在进行垃圾回收时将正在使用的内存中的存活对象复制到未使用的内存块中之后清除正在使用的内存块中的所有对象交换两个内存的角色完成垃圾回收 2.优点 1效率高如果系统中的垃圾对象很多复制算法需要复制的存活对象数量就会相对很少 2没有碎片对象是在垃圾回收过程中统一被复制到新的内存空间中的可确保回收后的内存没有碎片 3.缺点复制算法的代价是将系统内存折半 4.新生代存放年轻对象的堆空间。年轻对象指刚刚创建的或者经历垃圾回收次数不多的对象 5.老年代存放老年对象的堆空间。老年对象指经历多次垃圾回收后依然存活的对象 6.注意复制算法比较适合新生代因为在新生代垃圾对象通常会多于存活对象复制算法的效果会比较好 如图 4.3 所示A、B 两块相同的内存空间A 在进行垃圾回收时将存活对象复制到 B 中B 在复制后保持连续。复制完成后情况 A并将空间 B 设置为当前使用空间。 在 Java 的新生代串行垃圾回收器中使用了复制算法的思想。新生代分为 eden 区、from 区和 to 区 3 个部分。其中 from 区和 to 区可以视为用于复制的两块大小相同、地位相等且可进行角色互换的空间。from 区和 to 区也称为 survivor 区即幸存者空间用于存放未被回收的对象。 在进行垃圾回收时eden 区的存活对象会被复制到未使用的 survivor 区假设是 to 区正在使用的 survivor 区假设是 from 的年轻对象也会被复制到 to 区大对象或者老年对象会直接进入老年代如果 to 区已满则对象也会直接进入老年代。此时eden 区和 from 区的剩余对象就是垃圾对象可以直接清空to 区则存放此次回收后的存活对象。这种改进的复制算法既保证了空间的连续性又避免了大量的内存空间浪费如图 4.4 所示显示了复制算法的实际回收过程。当所有存活对象都复制到 survivor 区图中为 to后简单地清空 eden 区和备用的 survivor 区图中为 from即可。 4.2.4. 标记压缩法Mark-Compact 复制算法的高效性是建立在存活对象少、垃圾对象多的前提下的。这种情况在新生代经常发生但是在老年代更常见的情况是大部分对象都是存活对象。如果依然使用复制算法由于存活对象较多复制的成本将很高。因此基于老年代垃圾回收的特性需要使用其他算法。 1.老年代的回收算法是在标记清除法的基础上做了一些优化 2.实现首先需要从根节点开始对所有可达对象做一次标记。之后将所有的存活对象压缩到内存的一端。然后清理边界外所有的空间。 3.优点 1避免了碎片的产生 2不需要两块相同的内存空间性价比较高 4.最终效果等同于标记清除法执行完后再进行一次内存碎片整理因此也可以称为标记清除压缩法 如图 4.5 所示在通过根节点标记出所有的可达对象后沿虚线进行对象移动将所有的可达对象都移动到一端并保持它们之间的引用关系最后清理边界外的空间即可完成垃圾回收工作。 4.2.5. 分代算法Generational Collecting 在前面介绍的算法中没有一种算法可以完全替代其他算法它们都有自己的优势和特点。根据垃圾回收对象的特性使用合适的算法才是明智的选择。 1.分代算法将内存区间根据对象的特点分成几块根据每块内存区间的特点使用不同的回收算法以提高垃圾回收的效率 2.新生代比较适合使用复制算法新生代的特点是朝生夕灭 一般来说JVM 会将所有的新建对象都放入称为新生代的内存区域新生代的特点是对象朝生夕灭大约 90% 的新建对象会被很快回收因此新生代比较适合使用复制算法。当一个对象经过几次回收后依然存活对象就会被放入称为老年代的内存空间。在老年代中几乎所有的对象都是经过几次垃圾回收依然得以存活的。因此可以认为这些对象在一段时期内甚至在应用程序的整个生命周期中将是常驻内存的。 3.老年代使用标记压缩法或标记清除法 在极端情况下老年代对象的存活率可以达到 100%。如果依然使用复制算法回收老年代将需要复制大量对象。再加上老年代的回收性价比也低于新生代因此这种做法是不可取的。根据分代的思想可以对老年代的回收使用与新生代不同的标记压缩法或标记清除法以提高垃圾回收效率。如图4.6所示显示了这种分代回收的思想。 4.新生代回收的频率很高但是每次回收的耗时很短老年代回收的频率比较低但是会消耗更多的时间 为了支持高频率的新生代回收虚拟机可能使用一种叫作卡表Card Table的数据结构。卡表为一个比特位集合每一个比特位可以用来表示老年代的某一区域中的所有对象是否持有新生代对象的引用。这样在新生代GC时可以不用花大量时间扫描所有的老年代对象来确定每一个对象的引用关 系可以先扫描卡表只有当卡表的标记位为 1 时才需要扫描给定区域的老年代对象 而卡表位为0的老年代对象一定不含有新生代对象的引用。如图 4.7 所示卡表中每一位 表示老年代 4KB 的空间卡表记录为 0 的老年代区域没有任何对象指向新生代只有卡表 位为1的区域才有对象包含新生代引用因此在新生代GC时只需要扫描卡表位为1的老 年代空间。使用这种方式可以大大加快新生代的回收速度。 4.2.6. 分区算法Region
1.分区算法将整个堆空间划分成连续的不同小区间每一个小区间都独立使用独立回收 2.优点可以控制一次回收小区间的数量 一般来说在相同条件下堆空间越大一次 GC 所需要的时间就越长从而产生的停顿也越长。为了更好地控制 GC 产生的停顿时间将一 块大的内存区域分割成多个小块根据目标停顿时间每次合理地回收若干个小区间而不是回收整个堆空间从而减少一次GC所产生的停顿。 4.3. 判断可触及性 - 谁才是真正的垃圾
4.3.1. 对象的复活 - finalize() 函数
1.可触及性包含以下 3 种状态
可触及的从根节点开始可以到达这个对象可复活的对象的所有引用都被释放但是对象有可能在 finalize() 函数中复活不可触及的可被回收对象的 finalize() 函数被调用并且没有复活就会进入不可触及状态不可触及的对象不可能被复活因为 finalize() 函数只会被调用一次 垃圾回收的基本思想是考查每一个对象的可触及性即从根节点开始是否可以访问这个对象如果可以则说明当前对象正在被使用如果从所有的根节点开始都无法访问到某个对象说明该对象已经不再使用了一般来说该对象需要被回收。但事实上一个无法触及的对象有可能在某个条件下使自己“复活”如果是这样的情况那么对它的回收就是不合理的为此需要给出一个对象可触及性状态的定义并规定在什么状态下才可以安全地回收对象。 2.finalize() 函数是一个非常糟糕的模式不推荐使用 finalize() 函数释放资源 1因为 finalize() 函数有可能发生引用外泄在无意中复活对象 2由于 finalize() 函数是被系统调用的调用时间是不明确的因此不是一个好的资源释放方案推荐在 try-catch-finally 语句中进行资源的释放。
4.3.2. 引用和可触及性的强度
1.Java 中提供了 4 个级别的引用强引用、软引用、弱引用和虚引用。 除强引用外其他 3 种引用均可以在 java.lang.ref 包中找到。如图 4.9 所示显示了这 3 种引用类型对应的类开发人员可以在应用程序中直接使用它们。其中 FinalReference 为“最终”引用它用以实现对象的 finalize() 函数。 2.强引用就是程序中一般使用的引用类型强引用的对象是可触及的不会被回收。软引用、弱引用和虚引用的对象是软可触及、弱可触及和虚可触及的在一定条件下都是可以被回收的。 3.强引用的特点 1强引用可以直接访问目标对象 2强引用所指向的对象在任何时候都不会被系统回收JVM 宁愿抛出 OOM 异常也不会回收强引用所指向的对象 3强引用可能导致内存泄漏
4.3.3. 软引用 - 可被回收的引用
1.软引用是比强引用弱一点的引用类型。如果一个对象只持有软引用那么当堆空间不足时就会被回收。软引用使用 java.lang.ref.SoftReference 类实现。GC 未必会回收软引用的对象但是当内存资源紧张时软引用就会被回收软引用对象不会引起内存溢出。
4.3.4. 弱引用 - 发现即回收
1.弱引用是一种比软引用弱的引用类型。在系统 GC 时只要发现弱引用不管系统堆空间情况如何都会将对象进行回收。但是由于垃圾回收器的线程通常优先级很低并不一定能很快地发现持有弱引用的对象。在这种情况下弱引用对象可以存在较长时间。一旦一个弱引用对象被垃圾回收器回收便会加入一个注册的引用队列这一点和软引用很像。弱引用使用 java.lang.ref.WeakReference 类实现。 2.注意软引用、弱引用都非常适合保持那些可有可无的缓存数据。如果这么做当系统内存不足时这些缓存数据会被回收不会导致内存溢出。而当内存资源充足时这些缓存数据又可以存在相当长的时间从而起到让系统加速的作用。
4.3.5. 虚引用 - 对象回收跟踪
1.虚引用是所有引用类型中最弱的一个。一个持有虚引用的对象和没有引用几乎是一样的随时都可能被垃圾回收器回收。当试图通过虚引用的 get() 方法取得强引用时总会失败。并且虚引用必须和引用队列一起使用它的作用在于跟踪垃圾回收过程 2.当垃圾回收器准备回收一个对象时如果发现它还有虚引用就会在回收对象后将这个虚引用加入引用队列以通知应用程序对象的回收情况。 3.由于虚引用可以跟踪对象的回收时间所以也可以将一些资源释放操作放在虚引用中执行和记录。
4.4. 垃圾回收时的停顿 - Stop-The-World
垃圾回收器的任务是识别和回收垃圾对象以进行内存清理。为了让垃圾回收器可以正常且高效地执行在大部分情况下会要求系统进入一个停顿的状态。停顿的目的是终止所有应用线程的执行只有这样系统中才不会有新的垃圾产生同时停顿保证了系统状态在某一个瞬间的一致性也有益于垃圾回收器更好地标记垃圾对象。因此在垃圾回收时都会产生应用程序的停顿。停顿产生时整个应用程序会被卡死没有任何响应因 此这个停顿也叫作“Stop-The-World”STW。
