深入理解Java虚拟机(2.1)- 垃圾收集机制

2020年8月17日17:49:33 评论 84

Java垃圾回收

本文主要摘自《深入理解Java虚拟机》,内容较多,尽量全面概括了 Java 垃圾回收机制、垃圾回收器以及内存分配策略等内容。了解 Java 垃圾回收之前,需要先了解 Java内存区域

Java 垃圾回收机制

垃圾回收主要关注 Java 堆

深入理解Java虚拟机(2.1)- 垃圾收集机制

Java 内存运行时区域中的程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈随线程而生灭;栈中的栈帧随着方法的进入和退出而有条不紊地执行着出栈和入栈操作。每一个栈帧中分配多少内存基本上是在类结构确定下来时就已知的(尽管在运行期会由 JIT 编译器进行一些优化),因此这几个区域的内存分配和回收都具备确定性,不需要过多考虑回收的问题,因为方法结束或者线程结束时,内存自然就跟随着回收了。

而 Java 堆不一样,一个接口中的多个实现类需要的内存可能不一样,一个方法中的多个分支需要的内存也可能不一样,我们只有在程序处于运行期间时才能知道会创建哪些对象,这部分内存的分配和回收都是动态的,垃圾收集器所关注的是这部分内存。

判断哪些对象需要被回收

有以下两种方法:

  1. 引用计数法
    给对象添加一引用计数器,被引用一次计数器值就加 1;当引用失效时,计数器值就减 1;计数器为 0 时,对象就是不可能再被使用的,简单高效,缺点是无法解决对象之间相互循环引用的问题。
  2. 可达性分析算法
    通过一系列的称为 "GC Roots" 的对象作为起始点,从这些节点开始向下搜索,搜索所走过的路径称为引用链(Reference Chain),当一个对象到 GC Roots 没有任何引用链相连时,则证明此对象是不可用的。此算法解决了上述循环引用的问题。
    深入理解Java虚拟机(2.1)- 垃圾收集机制

在Java语言中,可作为 GC Roots 的对象包括下面几种:
a. 虚拟机栈(栈帧中的本地变量表)中引用的对象。
b. 方法区中类静态属性引用的对象。
c. 方法区中常量引用的对象。
d. 本地方法栈中 JNI(Native方法)引用的对象

作为 GC Roots 的节点主要在全局性的引用与执行上下文中。要明确的是,tracing gc必须以当前存活的对象集为 Roots,因此必须选取确定存活的引用类型对象。

GC 管理的区域是 Java 堆,虚拟机栈、方法区和本地方法栈不被 GC 所管理,因此选用这些区域内引用的对象作为 GC Roots,是不会被 GC 所回收的。

其中虚拟机栈和本地方法栈都是线程私有的内存区域,只要线程没有终止,就能确保它们中引用的对象的存活。而方法区中类静态属性引用的对象是显然存活的。常量引用的对象在当前可能存活,因此,也可能是 GC roots 的一部分。

强、软、弱、虚引用

JDK1.2 以前,一个对象只有被引用和没有被引用两种状态。

后来,Java 对引用的概念进行了扩充,将引用分为强引用(Strong Reference)、软引用(Soft Reference)、弱引用(Weak Reference)、虚引用(Phantom Reference)4 种,这 4 种引用强度依次逐渐减弱。

  1. 强引用就是指在程序代码之中普遍存在的,类似"Object obj=new Object()"这类的引用,垃圾收集器永远不会回收存活的强引用对象。
  2. 软引用:还有用但并非必需的对象。在系统 将要发生内存溢出异常之前 ,将会把这些对象列进回收范围之中进行第二次回收。
  3. 弱引用也是用来描述非必需对象的,被弱引用关联的对象 只能生存到下一次垃圾收集发生之前 。当垃圾收集器工作时,无论内存是否足够,都会回收掉只被弱引用关联的对象。
  4. 虚引用是最弱的一种引用关系。 无法通过虚引用来取得一个对象实例 。为一个对象设置虚引用关联的唯一目的就是能在这个对象被收集器回收时收到一个系统通知。

深入理解Java虚拟机(2.1)- 垃圾收集机制

可达性分析算法

不可达的对象将暂时处于“缓刑”阶段,要真正宣告一个对象死亡,至少要经历两次标记过程:

  1. 如果对象在进行可达性分析后发现没有与 GC Roots 相连接的引用链,那它将会被第一次标记并且进行一次筛选,筛选的条件是此对象是否有必要执行 finalize() 方法。
  2. 当对象没有覆盖 finalize() 方法,或者 finalize() 方法已经被虚拟机调用过,虚拟机将这两种情况都视为“没有必要执行”,直接进行第二次标记。
  3. 如果这个对象被判定为有必要执行 finalize() 方法,那么这个对象将会放置在一个叫做 F-Queue 的队列之中,并在稍后由一个由虚拟机自动建立的、低优先级的 Finalizer 线程去执行它。

这里所谓的“执行”是指虚拟机会触发这个方法,但并不承诺会等待它运行结束,因为如果一个对象在 finalize() 方法中执行缓慢,将很可能会一直阻塞 F-Queue 队列,甚至导致整个内存回收系统崩溃。

测试程序:

public class FinalizerTest {
    public static FinalizerTest object;
    public void isAlive() {
        System.out.println("I'm alive");
    }
 
    @Override
    protected void finalize() throws Throwable {
        super.finalize();
        System.out.println("method finalize is running");
        object = this;
    }
 
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        object = new FinalizerTest();
        // 第一次执行,finalize方法会自救
        object = null;
        System.gc();
 
        Thread.sleep(500);
        if (object != null) {
            object.isAlive();
        } else {
            System.out.println("I'm dead");
        }
 
        // 第二次执行,finalize方法已经执行过
        object = null;
        System.gc();
 
        Thread.sleep(500);
        if (object != null) {
            object.isAlive();
        } else {
            System.out.println("I'm dead");
        }
    }
}

输出如下:

method finalize is running
I'm alive
I'm dead

如果不重写 finalize(),输出将会是:

I'm dead
I'm dead

从执行结果可以看出:
第一次发生 GC 时,finalize() 方法的确执行了,并且在被回收之前成功逃脱;
第二次发生 GC 时,由于 finalize() 方法只会被 JVM 调用一次,object 被回收。

值得注意的是,使用 finalize() 方法来“拯救”对象是不值得提倡的,它的运行代价高昂,不确定性大,无法保证各个对象的调用顺序。finalize() 能做的工作,使用 try-finally 或者其它方法都更适合、及时。

Java 堆永久代的回收

永久代的垃圾收集主要回收两部分内容:废弃常量和无用的类。

  1. 回收废弃常量与回收 Java 堆中的对象非常类似。以常量池中字面量的回收为例,假如一个字符串"abc"已经进入了常量池中,但是当前系统没有任何一个 String 对象是叫做"abc"的,也没有其他地方引用了这个字面量,如果这时发生内存回收,而且必要的话,这个"abc"常量就会被系统清理出常量池。常量池中的其他类(接口)、方法、字段的符号引用也与此类似。
  2. 类需要同时满足下面 3 个条件才能算是“无用的类”:
    a. 该类所有的实例都已经被回收,也就是 Java 堆中不存在该类的任何实例。
    b. 加载该类的 ClassLoader 已经被回收。
    c. 该类对应的 java.lang.Class 对象没有在任何地方被引用,无法在任何地方通过反射访问该类的方法。

虚拟机可以对满足上述 3 个条件的无用类进行回收,这里说的仅仅是“可以”,而并不是和对象一样,不使用了就必然会回收。

在大量使用反射、动态代理、CGLib 等 ByteCode 框架、动态生成 JSP 以及 OSGi 这类频繁自定义 ClassLoader 的场景都需要虚拟机具备类卸载的功能,以保证永久代不会溢出。


垃圾收集相关链接:

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深入理解Java虚拟机(2.2)- 垃圾收集算法

深入理解Java虚拟机(2.3)- 垃圾收集器

深入理解Java虚拟机(2.4)- 内存分配与回收策略

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