前言

作為一名Java編程者，想要往高級(jí)進(jìn)階，內(nèi)存管理往往是避不開(kāi)的環(huán)節(jié)，而垃圾回收 以下簡(jiǎn)稱GC(Garbage Collection)機(jī)制作為內(nèi)存管理最重要的一個(gè)部分，是我們必須要掌握的。今天就分享下我對(duì) 垃圾回收機(jī)制 與 分代回收策略 的理解.

目錄

• 1. 背景

• 2. 兩種回收機(jī)制

  • 2.1. 引用計(jì)數(shù)
  • 2.2. 可達(dá)性分析

• 3. 回收算法

  • 3.1. 標(biāo)記清除算法
  • 3.2. 復(fù)制算法
  • 3.3. 標(biāo)記壓縮算法

• 4. 分代回收策略

  • 4.1. 新生代
  • 4.2. 老生代

• 5. 四大引用

1. 背景

一般來(lái)講，在我們編程的過(guò)程中是會(huì)不斷的往內(nèi)存中寫(xiě)入數(shù)據(jù)的，而這些數(shù)據(jù)用完了要及時(shí)從內(nèi)存中清理，否則會(huì)引發(fā)OutOfMemory(內(nèi)存溢出) ，所以每個(gè)編程者都必須遵從這一原則。聽(tīng)說(shuō)(我也不懂C語(yǔ)言~)在C語(yǔ)言階段，垃圾是需要編程者自己手動(dòng)回收的，而我們Javaer相對(duì)來(lái)說(shuō)就要幸福多了，因?yàn)镴VM存在GC機(jī)制，也就是說(shuō)JVM會(huì)幫我們自動(dòng)清理垃圾，但幸福也是有代價(jià)的，因?yàn)榭偸菚?huì)有些垃圾對(duì)象陰差陽(yáng)錯(cuò)的避開(kāi)GC算法，這一現(xiàn)象也稱之為內(nèi)存泄漏，所以只有掌握了GC機(jī)制才能避免寫(xiě)出內(nèi)存泄漏的程序。

2. 兩種回收機(jī)制

2.1 引用計(jì)數(shù)

什么是引用計(jì)數(shù)呢？打個(gè)比方A a = new A()，代碼中 A 對(duì)象被引用 a 所持有，此時(shí)引用計(jì)數(shù)就會(huì) +1 ，如果 a 將引用置為 null 即a = null此時(shí)對(duì)象 A 的引用計(jì)數(shù)就會(huì)變?yōu)?0 ，GC算法檢測(cè)到 A 對(duì)象引用計(jì)數(shù)為 0 就會(huì)將其回收。很簡(jiǎn)單，但引用計(jì)數(shù)存在一定弊端

場(chǎng)景如下：

A a = new A();
B b = new B();
a.next = b;
b.next = a;
a = null;
b = null;

執(zhí)行完上述代碼后 A 和 B 對(duì)象會(huì)被回收嗎？看似引用都已經(jīng)置為 null ，但實(shí)際上 a 和 b 的 next 分別持有對(duì)方引用，形成了一種相互持有引用的局面，導(dǎo)致A 和 B 即使成了垃圾對(duì)象且不能被回收。有些同學(xué)可能會(huì)說(shuō)，內(nèi)存泄漏太容易看出來(lái)了， a 和 b 置空前將各自的 next 置為空不就完了。嗯，這樣說(shuō)沒(méi)錯(cuò)，但是在實(shí)際業(yè)務(wù)中面對(duì)龐大的業(yè)務(wù)邏輯內(nèi)存泄漏是很難一眼看出的。所以JVM在后來(lái)摒棄了引用計(jì)數(shù)，采用了可達(dá)性分析。

2.2 可達(dá)性分析

可達(dá)性分析其實(shí)是數(shù)學(xué)中的一個(gè)概念，在JVM中，會(huì)將一些特殊的引用作為 GcRoot ，如果通過(guò) GcRoot 可以訪達(dá)的對(duì)象不會(huì)被當(dāng)作垃圾對(duì)象。換種方式說(shuō)就是，一個(gè)對(duì)象被 GcRoot 直接 或 間接持有，那么該對(duì)象就不會(huì)被當(dāng)作垃圾對(duì)象。用一張圖表示大概就是這個(gè)樣子:

image

圖中A、B、C、D可以被 GcRoot 訪達(dá)，所以不會(huì)被回收。E、F不能被 GcRoot 訪達(dá)，所以會(huì)被標(biāo)記為垃圾對(duì)象。最典型的是G、H，雖說(shuō)相互引用，但不能被 GcRoot 訪達(dá)，所以也會(huì)被標(biāo)記為垃圾對(duì)象。綜上所述： 可達(dá)性分析 可以解決 引用計(jì)數(shù) 中 對(duì)象相互引用 不能被回收的問(wèn)題。

什么類(lèi)型的引用可作為 GcRoot 呢。 大概有如下四種:

• 棧中局部變量
• 方法區(qū)中靜態(tài)變量
• 方法區(qū)中常量
• 本地方法棧JNI的引用對(duì)象

注意點(diǎn)

千萬(wàn)不要把引用和對(duì)象兩個(gè)概念混淆，對(duì)象是實(shí)實(shí)在在存在于內(nèi)存中的，而引用只是一個(gè)變量/常量并持有對(duì)象在內(nèi)存中的地址指。

下面我來(lái)通過(guò)一些代碼來(lái)驗(yàn)證幾種 GcRoot

局部變量

筆者是用Android代碼進(jìn)行調(diào)試，不懂Android的同學(xué)把onCreate視為main方法即可。

public class MyApp extends Application {

    @Override
    public void onCreate() {
        super.onCreate();
        method();
    }

    private void method(){
        Log.i("test","method start");
        A a = new A();
        try {
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        Log.i("test","method end");
    }

    class A{
        @Override
        protected void finalize() throws Throwable {
            Log.i("test","finalize A");
        }
    }
}

提示

• 在java中一個(gè)對(duì)象被回收會(huì)調(diào)用其finalize方法
• JVM中垃圾回收是在一個(gè)單獨(dú)線程進(jìn)行。為了更好的驗(yàn)證效果，在此加2000毫秒延時(shí)

打印結(jié)果如下:

17:58:57.526   method start
17:58:59.526   method end
17:58:59.591   finalize A

method 方法執(zhí)行時(shí)間是2000毫秒，對(duì)象A 在 method 方法結(jié)束立即被回收。所以可以認(rèn)定棧中局部變量可作為 GcRoot

本地方法區(qū)靜態(tài)變量

public class MyApp extends Application {

    private static A a;
    @Override
    public void onCreate() {
        super.onCreate();
        Log.i("test","onCreate");
        a = new A();
        try {
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        a = null;
        Log.i("test","a = null");
    }
}

打印結(jié)果如下:

18:12:35.988   a = new A()
18:12:38.028   a = null
18:12:38.096   finalize A

創(chuàng)建一個(gè) A 對(duì)象賦值給靜態(tài)變量 a ， 2000毫秒后將靜態(tài)變量 a 置為空。通過(guò)日志可以看出對(duì)象 A 在靜態(tài)變量 a 置空后被立即回收。所以可以認(rèn)定靜態(tài)變量可作為 GcRoot

方法區(qū)常量與靜態(tài)變量驗(yàn)證過(guò)程完全一致，關(guān)于native 驗(yàn)證過(guò)程比較復(fù)雜，感興趣的同學(xué)可自行驗(yàn)證。

驗(yàn)證成員變量是否可作為 GcRoot

public class MyApp extends Application {

    @Override
    public void onCreate() {
        super.onCreate();
        A a = new A();
        B b = new B();
        a.b = b;
        a = null;
    }

    class A{
        B b;
        @Override
        protected void finalize() throws Throwable {
            Log.i("test","finalize A");
        }
    }

    class B{
        @Override
        protected void finalize() throws Throwable {
            Log.i("test","finalize B");
        }
    }
}

打印結(jié)果如下:

13:14:58.999   finalize A
13:14:58.999   finalize B

通過(guò)日志可以看出，A、B 兩個(gè)對(duì)象都被回收。雖然 B 對(duì)象被 A 對(duì)象中的 b 引用所持有，但成員變量不能被作為 GcRoot， 所以B 對(duì)象不可達(dá)，進(jìn)而會(huì)被當(dāng)作垃圾。

3. 回收算法

上一小結(jié)描述了 GC 機(jī)制，但具體實(shí)現(xiàn)還是要靠算法，下面我簡(jiǎn)單描述一下幾種常見(jiàn)的 GC算法。

3.1. 標(biāo)記清除算法

獲取所有的 GcRoot 遍歷內(nèi)存中所有的對(duì)象，如果可以被 GcRoot 就加個(gè)標(biāo)記，剩下所有的對(duì)象都將視為垃圾被清除。

• 優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高
• 缺點(diǎn)：容易產(chǎn)生 內(nèi)存碎片(可用內(nèi)存分布比較分散)，如果需要申請(qǐng)大塊連續(xù)內(nèi)存可能會(huì)頻繁觸發(fā) GC

3.2. 復(fù)制算法

將內(nèi)存分為兩塊，每次只是用其中一塊。首先遍歷所有對(duì)象，將可用對(duì)象復(fù)制到另一塊內(nèi)存中，此時(shí)上一塊內(nèi)存可視為全是垃圾，清理后將新內(nèi)存塊置為當(dāng)前可用。如此反復(fù)進(jìn)行

• 優(yōu)點(diǎn)：解決了內(nèi)存碎片的問(wèn)題
• 缺點(diǎn)：需要按順序分配內(nèi)存，可用內(nèi)存變?yōu)樵瓉?lái)的一半。

3.3. 標(biāo)記壓縮算法

獲取所有的 GcRoot ， GcRoot 開(kāi)始從遍歷內(nèi)存中所有的對(duì)象，將可用對(duì)象壓縮到另一端，再將垃圾對(duì)象清除。實(shí)則是犧牲時(shí)間復(fù)雜度來(lái)降低空間復(fù)雜度

• 優(yōu)點(diǎn)：解決了標(biāo)記清除的 內(nèi)存碎片 ，也不需要復(fù)制算法中的 內(nèi)存分塊
• 缺點(diǎn)：仍需要將對(duì)象進(jìn)行移動(dòng)，執(zhí)行效率略低。

4. 分代回收策略

在JVM中 垃圾回收器 是很繁忙的，如果一個(gè)對(duì)象存活時(shí)間較長(zhǎng)，避免重復(fù) 創(chuàng)建/回收 給 垃圾回收器 進(jìn)一步造成負(fù)擔(dān)，能不能犧牲點(diǎn)內(nèi)存把它緩存起來(lái)? 答案是肯定的。JVM制定了 分代回收策略 為每個(gè)對(duì)象設(shè)置生命周期
，堆內(nèi)存會(huì)劃分不同的區(qū)域，來(lái)存儲(chǔ)各生命周期的對(duì)象。一般情況下對(duì)象的生命周期有 新生代、老年代、永久代(java 8已廢棄)。

4.1. 新生代

首先來(lái)看新生代內(nèi)存結(jié)構(gòu)示意圖：

image

按照8:1:1將新生代內(nèi)存分為 Eden、SurvivorA、SurvivorB

新生代內(nèi)存工作流程：

• 當(dāng)一個(gè)對(duì)象剛被創(chuàng)建時(shí)會(huì)放到 Eden 區(qū)域，當(dāng) Eden 區(qū)域即將存滿時(shí)做一次垃圾回收，將當(dāng)前存活的對(duì)象復(fù)制到 SurvivorA ，隨后將 Eden 清空
• 當(dāng)Eden 下一次存滿時(shí)，再做一次垃圾回收，先將存活對(duì)象復(fù)制到 SurvivorB ，再把 Eden 和 SurvivorA 所有對(duì)象進(jìn)行回收，
• 當(dāng)Eden 再一次存滿時(shí)，再做一次垃圾回收，將存活對(duì)象復(fù)制到 SurvivorA，再把 Eden 和 SurvivorB對(duì)象進(jìn)行回收。如此反復(fù)進(jìn)行大概 15 次，將最終依舊存活的對(duì)象放入到老年代區(qū)域。

新生代工作流程與 復(fù)制算法 應(yīng)用場(chǎng)景較為吻合，都是以復(fù)制為核心，所以會(huì)采用復(fù)制算法。

4.2. 老年代

根據(jù)對(duì) 上一小節(jié) 我們可以得知 當(dāng)一個(gè)對(duì)象存活時(shí)間較久會(huì)被存入到 老年代 區(qū)域。 老年代 區(qū)即將被存滿時(shí)會(huì)做一次垃圾回收，



所以 老年代 區(qū)域特點(diǎn)是存活對(duì)象多、垃圾對(duì)象少，采用標(biāo)記壓縮 算法時(shí)移動(dòng)少、也不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)存碎片。所以老年代 區(qū)域可以選用 標(biāo)記壓縮 算法進(jìn)一步提升效率。

5. 四大引用

在我們開(kāi)發(fā)程序的過(guò)程中，避免不了會(huì)創(chuàng)建一些比較大的對(duì)象，比如Android中用于承載像素信息的Bitmap，使用稍有不當(dāng)就會(huì)造成內(nèi)存泄漏，如果存在大量類(lèi)似對(duì)象對(duì)內(nèi)存影響還是蠻大的。



為了盡可能避免上述情況的出現(xiàn)，JVM為我們提供了四種對(duì)象引用方式：強(qiáng)引用、軟引用、弱引用、虛引用 供我們選擇，下面我用一張表格來(lái)做一下類(lèi)比

• 假設(shè)以下所述對(duì)象可被 GcRoot 訪達(dá)

參考文獻(xiàn):《Android 工程師進(jìn)階 34 講》 第二講

結(jié)語(yǔ)

文章從五個(gè)方面描述了 GC 機(jī)制。

• GC 機(jī)制的誕生是為了提升開(kāi)發(fā)者的效率
• 可達(dá)性分析 解決的 引用計(jì)數(shù) 相互引用的問(wèn)題
• 不同場(chǎng)景 運(yùn)用不同 GC 算法可以提升效率
• 分代回收策略 進(jìn)一步提升 GC 效率
• 巧妙運(yùn)用 四大引用 可以一定程度解決 內(nèi)存泄漏