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【後端面經-Java】JVM垃圾回收機制

2023-07-19 21:00:53

目錄

1. Where：回收哪裡的東西？——JVM記憶體分配

JVM垃圾回收機制（Garbage Collect，簡稱GC）主要負責回收JVM記憶體當中未被及時釋放回收的記憶體區域，JVM垃圾回收機制讓程式設計師擺脫了手動釋放記憶體的操作，降低了程式設計師疏忽大意導致的風險。
那麼，垃圾回收機制到底針對哪一塊的記憶體空間進行處理呢？是整體記憶體還是某一塊記憶體？
在回答這個問題之前，我們需要先了解一下JVM記憶體分配機制，JVM記憶體分配機制主要有如下幾個區域：

  • 棧（Stack）
  • 堆（Heap）
  • 方法區（Method Area）
  • 本地方法棧（Native Method Stack）
  • 程式計數器（PC）
    我們需要知道的是，棧、本地方法棧、程式計數器和方法呼叫有關，是執行緒私有的，隨著方法結束，棧和本地方法棧的棧幀會出棧，釋放記憶體，因此，這三部分並不需要使用垃圾回收機制。
    而堆主要存放物件範例和陣列，而方法區存放類的資訊、編譯資訊、常數池等，這兩塊區域由於是執行緒共用的，在方法呼叫結束之後也不會被釋放記憶體（畢竟A用完了，不知道B、C、D會不會用到這部分）需要使用垃圾回收機制進行記憶體回收。

關於每個區域的具體內容，可參考部落格：【後端面經-Java】JVM記憶體分割區詳解

因此，記憶體回收機制主要針對堆和方法區進行處理。

2. Which：記憶體物件中誰會被回收？——GC分代思想

2.1 年輕代/老年代/永久代

JVM垃圾回收機制中，一般都是基於GC分代思想進行演演算法設計。
GC機制將記憶體內容分為三部分：

  • 年輕代（Young Generation）：新產生的範例基本上都處於這代，因為新產生的範例大部分都是一次性的，因此這部分記憶體需要經常進行記憶體回收；
  • 老年代（Old Generation）：在新生代殘酷頻繁的篩選機制中，多次存活下來的範例會進入老年代，老年代意味著生命週期較長，一般在記憶體沒有滿之前不會對這部分記憶體進行回收；
  • 永久代（Permanent Generation，JCK1.8之後改成元空間（Metaspace））：永久代存放的是JVM程式執行相關的後設資料，比如類資訊、方法資訊、常數池等，內容重要且佔空間小，因此基本上不會進行垃圾回收。

如果要類比的話，年輕代就是剛剛步入職場的小青年，不穩定性較高，很容易被裁員（垃圾回收），而熬過這個階段，成為技術骨幹（老年代）之後，基本上不會在正常公司執行過程中被裁員，除非公司倒閉（記憶體已滿），而永久代或者元空間就是公司最高層的管理人員，對公司的執行起著關鍵作用，一般情況下不會被裁員。

2.2 記憶體細分

  1. 堆和方法區
    堆中存放年輕代和老年代，而方法區中存放永久代。
  2. 新生代區域細分
    新生代區域又分為Eden區、Survivor0區和Survivor1區，比例為8:1:1。

整體記憶體細分情況如圖所示：

3. When：什麼時候回收垃圾？——GC觸發條件

GC按照觸發條件，可分為Scavenge GC和Full GC。

  • Scavenge GC（Minor GC）
    Scavenge GC是指年輕代Eden區的垃圾回收，觸發條件為：
    • 年輕代Eden區域記憶體不足
      • 呼叫Scavenge GC之後，將未清理的元素放入Survivor0區域。如果Survivor0區域記憶體不足，則將Survivor0區域記憶體中的所有元素放入Survivor1區域。清空Survivor0區域，然後將Survivor1中的元素放入Survivor0中；
      • 如果Survivor1區域記憶體不足，則將Survivor1區域記憶體中的所有元素放入老年代中；
      • 如果老年代也記憶體不足，則會考慮觸發Full GC。
  • Full GC（Major GC）
    Full GC是整體對記憶體的垃圾回收，包括年輕代和老年代，觸發條件為：
    • 老年代記憶體不足
    • 永久代記憶體不足
    • 顯性呼叫system.gc()
    • 上次GC之後堆記憶體的劃分出現變化

對於GC執行緒，其本身的優先順序比較低，因此在CPU空閒的時候，可能會進行GC處理，而在忙時基本上不會進行GC處理，除非此時記憶體空間不足，需要GC處理之後才能正常執行。
Full GC對於計算資源是一個很大的消耗，應該儘量避免使用Full GC。

4. Why：憑什麼說它是垃圾？——垃圾判斷演演算法

前面主要介紹了JVM垃圾回收機制的針對物件，GC分代思想和觸發條件。那麼，好好的一個物件範例，GC機制空口無憑憑什麼說它是垃圾呢？這就需要垃圾判斷演演算法了。
常見的垃圾判斷方法有兩種：參照計數法和可達性分析法。

4.1 參照計數法

  • 每個物件範例都有一個參照計數器，當有一個參照指向該物件範例時，參照計數器加1，當參照失效時，參照計數器減1，當參照計數器為0時，該物件範例就是垃圾，需要進行回收。
  • 補充一下JVM的參照型別，如下圖所示：
  • 優點：判斷邏輯簡單；
  • 缺點：無法解決迴圈參照的問題(從圖論角度來說就是環狀節點無法識別)。

4.2 可達性分析法

  • 將每個範例看作節點，兩個範例之間的參照關係看作路徑。從GC Roots開始，對堆記憶體中的物件進行遍歷，如果某個物件範例沒有被遍歷到，則說明該物件範例不可達，不可達則是垃圾，對其進行垃圾標記，等待後續回收（非連通圖查詢連通子圖的數量）。
  • GC Roots指的是正在執行的程式中一些基本物件，從這些物件往下查詢其參照物件，包括如下幾種：
    • 虛擬機器器棧（棧幀中的本地變數表）中參照的物件
    • 方法區中類靜態屬性參照的物件
    • 方法區中常數參照的物件
    • 本地方法棧中JNI（Native方法）參照的物件
  • 優點：能有效解決迴圈參照的問題；
  • 缺點：判斷邏輯複雜，需要遍歷整個記憶體空間，效率較低。

5. How：如何對待垃圾？——垃圾回收演演算法

常見的垃圾回收演演算法包括：標記-清除演演算法、標記-整理演演算法、複製演演算法和分代收集演演算法（自適應演演算法）。

5.0 垃圾的垂死掙扎

在被處決之前，垃圾會進行一次垂死掙扎，範例第一次被標記為垃圾之後，如果可以進行一次有效finalize()方法呼叫，和其他範例建立參照，那麼該範例就會被複活，不會被回收。

5.1 標記-清除演演算法

在垃圾判斷演演算法執行完成後，已經被明確判斷成垃圾的範例，清除法在原地釋放其記憶體空間，將其標記為可用空間，等待後續的記憶體分配。

  • 優點：操作簡單，原地清除不需要複製記憶體
  • 缺點：會產生記憶體碎片，長期執行會影響CPU執行效率

5.2 標記-整理演演算法

標記-整理演演算法在標記完成之後，將所有存活的範例移動到一端，然後清除掉另一端的記憶體空間，這樣就可以有效解決記憶體碎片的問題。

  • 優點：無記憶體碎片；
  • 缺點：需要移動範例，效率較低；

5.3 複製演演算法

複製演演算法將記憶體空間分為兩塊，每次只使用其中一塊，當一塊記憶體空間記憶體滿了之後，將存活的範例複製到另一塊記憶體空間中，然後清除掉之前的記憶體空間。

  • 優點：無記憶體碎片，操作簡單；標記和複製可並行；
  • 缺點：可用記憶體空間直接減半，記憶體利用率較低；

5.4 分代收集演演算法

針對不同代的資料特點，使用不同的垃圾回收演演算法。

  • 年輕代：複製演演算法
    • 存活物件較少，複製演演算法每次的物件複製不會有太大負擔；
    • 操作頻繁，複製演演算法標記和複製可並行處理，效率較高；
  • 老年代：標記-整理演演算法
    • 存活物件較多，減少記憶體碎片，提高可用性
  • 永久代（元空間）：不作考慮

6. Who：誰去處理垃圾？——垃圾回收器

垃圾回收器是垃圾回收演演算法的執行者，常見的垃圾回收器如下圖所示：

連線部分說明這兩個垃圾回收器能夠搭配使用。

6.1 年輕代-Serial收集器

  • 回收演演算法：複製演演算法
  • 單執行緒：執行回收演演算法的時候是單執行緒；適用於並行能力較低的系統。
  • Stop the World：一般執行緒和回收執行緒無法並行，執行回收演演算法需要中斷其他執行緒，這個現象稱為Stop the World（亂入Dio的「咋瓦魯多」）。
    • Stop the World現象會導致系統暫停，引出垃圾收集停頓時間這一引數，影響使用者體驗，因此需要儘量避免；
  • 優點：簡單高效，適用於單核CPU；
  • 缺點：無法並行，且單執行緒處理效率較低；
  • 啟用方式：-XX:+UseSerialGC

6.2 年輕代-ParNew收集器

  • 回收演演算法：複製演演算法
  • 多執行緒：執行回收演演算法的時候是多執行緒；
  • 也會存在Stop the World現象，除了多執行緒的改進之外，和Serial收集器沒有太大區別；
  • 優點：多執行緒處理效率高，適用於多核CPU；
  • 缺點：一般執行緒和回收執行緒無法並行處理；
  • 啟用方式：-XX:+UseParNewGC

6.3 年輕代-Parallel Scavenge收集器

  • 回收演演算法：複製演演算法
  • 關注吞吐量
    吞吐量 = 使用者執行緒執行時間 / （使用者執行緒執行時間 + 垃圾回收執行緒執行時間）
  • 相關引數
      1. 垃圾收集停頓時間
      • 設定方式：-XX:MaxGCPauseMillis=一個數值
      • 停頓時間過大將會直接影響每次垃圾回收的使用者體驗，停頓時間過小則會導致垃圾回收頻繁；
      1. 吞吐量大小
      • 設定方式：-XX:GCTimeRatio=一個數值
      • 預設取值為99%，表示只有1%的時間用於垃圾回收；
      1. 自適應模式
      • 設定方式：-XX:+UseAdaptiveSizePolicy
      • 設定自適應模式之後，記憶體中的新生代分配比例和老年代的時間引數可自行調整，達到吞吐量、停頓時間和記憶體佔用的平衡；
  • 是JDK1.8的預設垃圾回收器
  • 啟用方式：-XX:+UseParallelGC

6.4 老年代-SerialOld收集器

  • 回收演演算法：標記-整理演演算法
  • 單執行緒，可類比年輕代的Serial收集器，優缺點同理
  • CMS收集器的後備演演算法

6.5 老年代-ParallelOld收集器

  • 回收演演算法：標記-壓縮演演算法
  • 關注吞吐量，可類比年輕代的Parallel Scavenge收集器
  • 多執行緒，執行緒數通過-XX:ParallelGCThreads設定，預設為CPU核心數
  • 啟用方式：-XX:+UseParallelOldGC

6.6 老年代-CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器

  • 回收演演算法：標記-清除演演算法
  • 關注停頓時間，期望有較短的垃圾回收停頓時間，從而優化使用者體驗；
  • 回收步驟：
    • 初始標記：適用可達性分析法的思想，標記GC Roots能直接關聯到的物件，速度較快；
    • 並行標記：一般執行緒和回收執行緒並行，對此時標記狀態出現變化的範例進行統計；
    • 重新標記：根據並行標記的結果，對標記狀態發生變化的範例進行重新標記，這一步相對較慢；
    • 並行清除：清理垃圾範例，釋放記憶體空間；這一步可以和一般執行緒並行；
  • 相關引數：
    • 觸發閾值：
      • 設定方式：-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=一個數值
      • 和之前討論的何時進行垃圾回收的觸發機制不同，CMS在處理老年代的時候，不會等到記憶體完全佔滿，而是會設定一個閾值，預設數值為68%，佔用記憶體空間超過這個閾值就進行垃圾回收處理。
    • 整理標記
      • 設定方式：-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection
      • 如果設定這一標記，則垃圾回收之後會進行一次整理，合併記憶體碎片。
  • 優點：並行收集，提高執行效率；減少停頓時間，使用者體驗佳
  • 缺點：無法處理浮動垃圾，對CPU資源敏感，且標記清除演演算法會產生記憶體碎片

6.7 年輕代和老年代-G1（Garbage First）收集器

  • 回收演演算法：整體來看是標記-整理演演算法，區域性來看是複製演演算法
  • 關注停頓時間，也關注高吞吐量（我全都要.jpg）；
  • 分割區：不同於之前所討論的分代劃分記憶體區域的方式，G1回收器將記憶體劃分為一個又一個單元區域，稱為Region，
    • 設定方式：-XX:G1HeapRegionSize=一個數值
    • 每個分割區內部可以存放年輕代或者老年代的資料，根據不同的存放資料，將分割區劃分為四類：
      • E-Eden區：存放年輕代當中Eden區域的資料；
      • S-Survivor區：存放年輕代當中Survivor區域(survivor0和survivor1)的資料；
      • O-Old：存放老年代的一般資料；
      • H-Humongous：存放老年代當中大物件的資料；當佔據整個Region一半以上的時候，就會被劃分為Humongous區域；
  • 停頓預測模型：使用者可以自行設定垃圾回收停頓時間，而G1回收器會根據歷史資料構建預測模型，考慮為了滿足使用者設定的停頓時間，本次垃圾回收可以處理哪幾個Region。
  • Region優先順序佇列：G1瀏覽器維護一個Region佇列，高價值的Region有更高的優先順序，在垃圾回收的時候優先處理，這也是Garbage First名字的由來。
  • 回收步驟（和CMS回收器類似）：
    • 初始標記
    • 並行標記
    • 重新標記
    • 並行清除
  • 優點：並行操作，並行收集，提高執行效率；關注停頓時間，可預測停頓時間，優化使用者體驗；可處理浮動垃圾，不會產生記憶體碎片；

6.8 垃圾回收器對比圖

對上述垃圾回收器的對比如下所示：

面試模擬

Q：介紹一下JVM和垃圾回收機制。
A：從"where"、"which"、"when"、"why"、"how"、"who"的角度，重點介紹觸發機制/判斷演演算法/垃圾回收演演算法/垃圾回收機制。

參考資料

  1. JVM之垃圾回收機制（GC）
  2. JVM的垃圾回收機制 總結(垃圾收集、回收演演算法、垃圾回收器)
  3. 深入理解 JVM 垃圾回收機制及其實現原理