【深入Java虛擬機】之八：Java垃圾收集機制
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對象引用
Java中的垃圾回收一般是在Java堆中進行，因為堆中幾乎存放了Java中所有的對象實例。談到Java堆中的垃圾回收，自然要談到引用。在JDK1.2之前，Java中的引用定義很很純粹：如果reference類型的數據中存儲的數值代表的是另外一塊內存的起始地址，就稱這塊內存代表著一個引用。但在JDK1.2之後，Java對引用的概念進行了擴充，將其分為強引用（Strong Reference）、軟引用（Soft Reference）、弱引用（Weak Reference）、虛引用（Phantom Reference）四種，引用強度依次減弱。
- 強引用：如“Object obj = new Object（）”，這類引用是Java程序中最普遍的。只要強引用還存在，垃圾收集器就永遠不會回收掉被引用的對象。
- 軟引用：它用來描述一些可能還有用，但並非必須的對象。在系統內存不夠用時，這類引用關聯的對象將被垃圾收集器回收。JDK1.2之後提供了SoftReference類來實現軟引用。
- 弱引用：它也是用來描述非需對象的，但它的強度比軟引用更弱些，被弱引用關聯的對象只能生存島下一次垃圾收集發生之前。當垃圾收集器工作時，無論當前內存是否足夠，都會回收掉只被弱引用關聯的對象。在JDK1.2之後，提供了WeakReference類來實現弱引用。
- 虛引用：最弱的一種引用關系，完全不會對其生存時間構成影響，也無法通過虛引用來取得一個對象實例。為一個對象設置虛引用關聯的唯一目的是希望能在這個對象被收集器回收時收到一個系統通知。JDK1.2之後提供了PhantomReference類來實現虛引用。
垃圾對象的判定
Java堆中存放著幾乎所有的對象實例，垃圾收集器對堆中的對象進行回收前，要先確定這些對象是否還有用，判定對象是否為垃圾對象有如下算法：
引用計數算法
給對象添加一個引用計數器，每當有一個地方引用它時，計數器值就加1，當引用失效時，計數器值就減1，任何時刻計數器都為0的對象就是不可能再被使用的。
引用計數算法的實現簡單，判定效率也很高，在大部分情況下它都是一個不錯的選擇，當Java語言並沒有選擇這種算法來進行垃圾回收，主要原因是它很難解決對象之間的相互循環引用問題。
根搜索算法
Java和C#中都是采用根搜索算法來判定對象是否存活的。這種算法的基本思路是通過一系列名為“GC Roots”的對象作為起始點，從這些節點開始向下搜索，搜索所走過的路徑稱為引用鏈，當一個對象到GC Roots沒有任何引用鏈相連時，就證明此對象是不可用的。在Java語言裏，可作為GC Roots的兌現包括下面幾種：
- 虛擬機棧（棧幀中的本地變量表）中引用的對象。
- 方法區中的類靜態屬性引用的對象。
- 方法區中的常量引用的對象。
- 本地方法棧中JNI（Native方法）的引用對象。
實際上，在根搜索算法中，要真正宣告一個對象死亡，至少要經歷兩次標記過程：如果對象在進行根搜索後發現沒有與GC Roots相連接的引用鏈，那它會被第一次標記並且進行一次篩選，篩選的條件是此對象是否有必要執行finalize（）方法。當對象沒有覆蓋finalize（）方法，或finalize（）方法已經被虛擬機調用過，虛擬機將這兩種情況都視為沒有必要執行。如果該對象被判定為有必要執行finalize（）方法，那麽這個對象將會被放置在一個名為F-Queue隊列中，並在稍後由一條由虛擬機自動建立的、低優先級的Finalizer線程去執行finalize（）方法。finalize（）方法是對象逃脫死亡命運的最後一次機會（因為一個對象的finalize（）方法最多只會被系統自動調用一次），稍後GC將對F-Queue中的對象進行第二次小規模的標記，如果要在finalize（）方法中成功拯救自己，只要在finalize（）方法中讓該對象重引用鏈上的任何一個對象建立關聯即可。而如果對象這時還沒有關聯到任何鏈上的引用，那它就會被回收掉。
垃圾收集算法
判定除了垃圾對象之後，便可以進行垃圾回收了。下面介紹一些垃圾收集算法，由於垃圾收集算法的實現涉及大量的程序細節，因此這裏主要是闡明各算法的實現思想，而不去細論算法的具體實現。
標記—清除算法
標記—清除算法是最基礎的收集算法，它分為“標記”和“清除”兩個階段：首先標記出所需回收的對象，在標記完成後統一回收掉所有被標記的對象，它的標記過程其實就是前面的根搜索算法中判定垃圾對象的標記過程。標記—清除算法的執行情況如下圖所示：
回收前狀態：
回收後狀態：
該算法有如下缺點：
- 標記和清除過程的效率都不高。
- 標記清除後會產生大量不連續的內存碎片，空間碎片太多可能會導致，當程序在以後的運行過程中需要分配較大對象時無法找到足夠的連續內存而不得不觸發另一次垃圾收集動作。
復制算法
復制算法是針對標記—清除算法的缺點，在其基礎上進行改進而得到的，它講課用內存按容量分為大小相等的兩塊，每次只使用其中的一塊，當這一塊的內存用完了，就將還存活著的對象復制到另外一塊內存上面，然後再把已使用過的內存空間一次清理掉。復制算法有如下優點：
- 每次只對一塊內存進行回收，運行高效。
- 只需移動棧頂指針，按順序分配內存即可，實現簡單。
- 內存回收時不用考慮內存碎片的出現。
它的缺點是：可一次性分配的最大內存縮小了一半。
復制算法的執行情況如下圖所示：
回收前狀態：
回收後狀態：
標記—整理算法
復制算法比較適合於新生代，在老年代中，對象存活率比較高，如果執行較多的復制操作，效率將會變低，所以老年代一般會選用其他算法，如標記—整理算法。該算法標記的過程與標記—清除算法中的標記過程一樣，但對標記後出的垃圾對象的處理情況有所不同，它不是直接對可回收對象進行清理，而是讓所有的對象都向一端移動，然後直接清理掉端邊界以外的內存。標記—整理算法的回收情況如下所示：
回收前狀態：
回收後狀態：
分代收集
當前商業虛擬機的垃圾收集 都采用分代收集，它根據對象的存活周期的不同將內存劃分為幾塊，一般是把Java堆分為新生代和老年代。在新生代中，每次垃圾收集時都會發現有大量對象死去，只有少量存活，因此可選用復制算法來完成收集，而老年代中因為對象存活率高、沒有額外空間對它進行分配擔保，就必須使用標記—清除算法或標記—整理算法來進行回收。
垃圾收集器
垃圾收集器是內存回收算法的具體實現，Java虛擬機規範中對垃圾收集器應該如何實現並沒有任何規定，因此不同廠商、不同版本的虛擬機所提供的垃圾收集器都可能會有很大的差別。Sun HotSpot虛擬機1.6版包含了如下收集器：Serial、ParNew、Parallel Scavenge、CMS、Serial Old、Parallel Old。這些收集器以不同的組合形式配合工作來完成不同分代區的垃圾收集工作。
垃圾回收分析
在用代碼分析之前，我們對內存的分配策略明確以下三點：- 對象優先在Eden分配。
- 大對象直接進入老年代。
- 長期存活的對象將進入老年代。
- 新生代GC（Minor GC）：發生在新生代的垃圾收集動作，因為Java對象大多都具有朝生夕滅的特性，因此Minor GC非常頻繁，一般回收速度也比較快。
- 老年代GC（Major GC/Full GC）：發生在老年代的GC，出現了Major GC，經常會伴隨至少一次Minor GC。由於老年代中的對象生命周期比較長，因此Major GC並不頻繁，一般都是等待老年代滿了後才進行Full GC，而且其速度一般會比Minor GC慢10倍以上。另外，如果分配了Direct Memory，在老年代中進行Full GC時，會順便清理掉Direct Memory中的廢棄對象。
下面我們來看如下代碼:
[java] view plain copy
- public class SlotGc{
- public static void main(String[] args){
- byte[] holder = new byte[32*1024*1024];
- System.gc();
- }
- }
代碼很簡單，就是向內存中填充了32MB的數據，然後通過虛擬機進行垃圾收集。在Javac編譯後，我們執行如下指令：java -verbose:gc SlotGc來查看垃圾收集的結果，得到如下輸出信息：
[GC 208K->134K(5056K), 0.0017306 secs]
[Full GC 134K->134K(5056K), 0.0121194 secs]
[Full GC 32902K->32902K(37828K), 0.0094149 sec
註意第三行，“->”之前的數據表示垃圾回收前堆中存活對象所占用的內存大小，“->”之後的數據表示垃圾回收堆中存活對象所占用的內存大小，括號中的數據表示堆內存的總容量，0.0094149 sec 表示垃圾回收所用的時間。
從結果中可以看出，System.gc(（）運行後並沒有回收掉這32MB的內存，這應該是意料之中的結果，因為變量holder還處在作用域內，虛擬機自然不會回收掉holder引用的對象所占用的內存。
我們把代碼修改如下：
[java] view plain copy- public class SlotGc{
- public static void main(String[] args){
- {
- byte[] holder = new byte[32*1024*1024];
- }
- System.gc();
- }
- }
加入花括號後，holder的作用域被限制在了花括號之內，因此，在執行System.gc（）時，holder引用已經不能再被訪問，邏輯上來講，這次應該會回收掉holder引用的對象所占的內存。但查看垃圾回收情況時，輸出信息如下：
[GC 208K->134K(5056K), 0.0017100 secs]
[Full GC 134K->134K(5056K), 0.0125887 secs]
[Full GC 32902K->32902K(37828K), 0.0089226 secs]
很明顯，這32MB的數據並沒有被回收。下面我們再做如下修改：
[java] view plain copy- public class SlotGc{
- public static void main(String[] args){
- {
- byte[] holder = new byte[32*1024*1024];
- holder = null;
- }
- System.gc();
- }
- }
這次得到的垃圾回收信息如下：
[GC 208K->134K(5056K), 0.0017194 secs]
[Full GC 134K->134K(5056K), 0.0124656 secs]
[Full GC 32902K->134K(37828K), 0.0091637 secs]
說明這次holder引用的對象所占的內存被回收了。我們慢慢來分析。
首先明確一點：holder能否被回收的根本原因是局部變量表中的Slot是否還存有關於holder數組對象的引用。
在第一次修改中，雖然在holder作用域之外進行回收，但是在此之後，沒有對局部變量表的讀寫操作，holder所占用的Slot還沒有被其他變量所復用（回憶一部分的局部變量表仍保持者對它的關聯。這種關聯沒有被及時打斷，因此GC收集器不會將holder引用的對象內存回收掉。 在第二次修改中，在GC收集器工作前，手動將holder設置為null值，就把holder所占用的局部變量表中的Slot清空了，因此，這次GC收集器工作時將holder之前引用的對象內存回收掉了。
當然，我們也可以用其他方法來將holder引用的對象內存回收掉，只要復用holder所占用的slot即可，比如在holder作用域之外執行一次讀寫操作。
為對象賦null值並不是控制變量回收的最好方法，以恰當的變量作用域來控制變量回收時間才是最優雅的解決辦法。另外，賦null值的操作在經過虛擬機JIT編譯器優化後會被消除掉，經過JIT編譯後，System.gc（）執行時就可以正確地回收掉內存，而無需賦null值。
性能調優
Java虛擬機的內存管理與垃圾收集是虛擬機結構體系中最重要的組成部分，對程序（尤其服務器端）的性能和穩定性有著非常重要的影響。性能調優需要具體情況具體分析，而且實際分析時可能需要考慮的方面很多，這裏僅就一些簡單常用的情況作簡要介紹。
- 我們可以通過給Java虛擬機分配超大堆（前提是物理機的內存足夠大）來提升服務器的響應速度，但分配超大堆的前提是有把握把應用程序的Full GC頻率控制得足夠低，因為一次Full GC的時間造成比較長時間的停頓。控制Full GC頻率的關鍵是保證應用中絕大多數對象的生存周期不應太長，尤其不能產生批量的、生命周期長的大對象，這樣才能保證老年代的穩定。
- Direct Memory在堆內存外分配，而且二者均受限於物理機內存，且成負相關關系，因此分配超大堆時，如果用到了NIO機制分配使用了很多的Direct Memory，則有可能導致Direct Memory的OutOfMemoryError異常，這時可以通過-XX:MaxDirectMemorySize參數調整Direct Memory的大小。
-
除了Java堆和永久代以及直接內存外，還要註意下面這些區域也會占用較多的內存，這些內存的總和會受到操作系統進程最大內存的限制：
1、線程堆棧：可通過-Xss調整大小，內存不足時拋出StackOverflowError（縱向無法分配，即無法分配新的棧幀）或OutOfMemoryError（橫向無法分配，即無法建立新的線程）。
2、Socket緩沖區：每個Socket連接都有Receive和Send兩個緩沖區，分別占用大約37KB和25KB的內存。如果無法分配，可能會拋出IOException：Too many open files異常。關於Socket緩沖區的詳細介紹參見我的Java網絡編程系列中深入剖析Socket的幾篇文章。
3、JNI代碼：如果代碼中使用了JNI調用本地庫，那本地庫使用的內存也不在堆中。
4、虛擬機和GC：虛擬機和GC的代碼執行也要消耗一定的內存。
【深入Java虛擬機】之八：Java垃圾收集機制