面试精选JVM和并发编程

JVM——垃圾回收

2021-06-16  本文已影响0人  小波同学

前言

Java 垃圾回收机制

垃圾回收主要关注 Java 堆


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。

怎么定义垃圾

引用计数算法（Reachability Counting）

通过在对象头中分配一个空间来保存该对象被引用的次数（Reference Count）。如果该对象被其它对象引用，则它的引用计数加1，如果删除对该对象的引用，那么它的引用计数就减1，当该对象的引用计数为0时，那么该对象就会被回收。

可达性分析算法(根搜索算法)

可达性分析算法（Reachability Analysis）的基本思路是，通过一些被称为引用链（GC Roots）的对象作为起点，从这些节点开始向下搜索，搜索走过的路径被称为（Reference Chain)，当一个对象到 GC Roots 没有任何引用链相连时（即从 GC Roots 节点到该节点不可达），则证明该对象是不可用的。


在 Java 语言中，可作为 GC Root 的对象包括以下4种：

引用分类

StrongReference: 强引用

强引用是使用最普遍的引用。如果一个对象具有强引用，那垃圾回收器绝不会回收它。当内存空间不足，Java 虚拟机宁愿抛出 OutOfMemoryError 错误，使程序异常终止，也不会靠随意回收具有强引用的对象来解决内存不足的问题。

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        new Main().fun1();
    }

    public void fun1() {
        Object object = new Object();
        Object[] objArr = new Object[1000];
    }
}

SoftReference: 软引用

软引用是用来描述一些有用但并不是必需的对象，在 Java 中用 java.lang.ref.SoftReference 类来表示。对于软引用关联着的对象，只有在内存不足的时候 JVM 才会回收该对象。因此，这一点可以很好地用来解决 OOM 的问题，并且这个特性很适合用来实现缓存：比如网页缓存、图片缓存等。

软引用可以和一个引用队列（ReferenceQueue）联合使用，如果软引用所引用的对象被JVM回收，这个软引用就会被加入到与之关联的引用队列中。下面是一个使用示例：

import java.lang.ref.SoftReference;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {

        SoftReference<String> sr = new SoftReference<String>(new String("hello"));
        System.out.println(sr.get());
    }
}

WeakReference: 弱引用

弱引用与软引用的区别在于：只具有弱引用的对象拥有更短暂的生命周期。在垃圾回收器线程扫描它所管辖的内存区域的过程中，一旦发现了只具有弱引用的对象，不管当前内存空间足够与否，都会回收它的内存。不过，由于垃圾回收器是一个优先级很低的线程，因此不一定会很快发现那些只具有弱引用的对象。

import java.lang.ref.WeakReference;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {

        WeakReference<String> sr = new WeakReference<String>(new String("hello"));

        System.out.println(sr.get());
        System.gc();                //通知JVM的gc进行垃圾回收
        System.out.println(sr.get());
    }
}

PhantomReference: 虚引用

“虚引用”也称为幽灵引用或幻影引用，顾名思义，就是形同虚设，与其他几种引用都不同，虚引用并不会决定对象的生命周期。如果一个对象仅持有虚引用，那么它就和没有任何引用一样，在任何时候都可能被垃圾回收器回收。虚引用和前面的软引用、弱引用不同，它并不影响对象的生命周期。在 Java 中用 java.lang.ref.PhantomReference类表示。如果一个对象与虚引用关联，则跟没有引用与之关联一样，在任何时候都可能被垃圾回收器回收。要注意的是，虚引用必须和引用队列关联使用，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，就会把这个虚引用加入到与之 关联的引用队列中。程序可以通过判断引用队列中是否已经加入了虚引用，来了解被引用的对象是否将要被垃圾回收。如果程序发现某个虚引用已经被加入到引用队列，那么就可以在所引用的对象的内存被回收之前采取必要的行动。

import java.lang.ref.PhantomReference;
import java.lang.ref.ReferenceQueue;


public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        ReferenceQueue<String> queue = new ReferenceQueue<String>();
        PhantomReference<String> pr = new PhantomReference<String>(new String("hello"), queue);
        System.out.println(pr.get());
    }
}

跨代引用

记忆集

记忆集(Remembered Set)：一种用于记录从非收集区域指向收集区域的指针集合的抽象数据结构。

记忆集记录精读

不考虑效率和成本，最简单的实现可以用非收集区域中所有含跨代引用的对象数组。但空间开销大，成本高。

在垃圾收集的场景中，收集器只需要通过记忆集判断出某一块非收集区域是否存在有指向了收集区域的指针，故选择更粗狂的颗粒记录，可供选择的有字节精读、对象精读、卡精读(卡表)。

写屏障(write barrier)

写屏障与记忆集

每次在对一个对象引用进行赋值的时候，会产生一个写屏障中断操作，然后检查将要写入的引用指向的对象是否和该引用当前指向的对象处在不同的region中；如果不同，通过CardTable将相关的引用信息记录到Remembered set中；当进行垃圾收集时，在GC根节点的枚举范围内加入Remembered Set，就可以保证不用进行全局扫描。

判断是否垃圾的步骤

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。

GC类型

Stop The World

Java中Stop-The-World机制简称STW，Java中一种全局暂停现象，多半由于GC引起。所谓全局停顿，就是所有Java代码停止运行，native代码可以执行，但不能与JVM交互。

jvm-Stop the world：https://blog.csdn.net/jakeswang/article/details/107673734

垃圾收集类型

判断类无用条件

垃圾收集算法

Mark-Sweep: 标记-清除算法

这是最基础的算法，就像它名字一样，算法分为“标记”和“清除”两个阶段：首先标记处所有需要回收的对象（如哪些内存需要回收所描述的对象），对标记完成后统一回收所有被标记的对象，如下图所示：


优点：简单。

缺点：

Copying: 复制算法

为了针对标记-清除算法的不足，复制算法将可用内存容量划分为大小相等的两块，每次只使用一块。当一块的内存用完了，就将还存活的对象复制到另一块上面去。然后把已使用过的内存空间一次清理掉，如下图所示：


优点：实现简单，运行高效，不用考虑内存碎片问题。

缺点：使用内存比原来缩小了一半。

现在的商业虚拟机都采用这种收集算法来回收新生代，有企业分析的得出其实并不需求将内存按1:1的比例划分，因为新生代中的对象大部分都是“朝生夕死”的。所以，HotSpot虚拟机默认的Eden和Survivor的大小比例是8:1。一块Eden和两块Survivor，每次使用一块Eden和一块Survivor，也就是说只有10%是浪费的。如果另一块Survivor都无法存放上次垃圾回收的对象时，那这些对象将通过“担保机制”进入老年代了。

担保机制—分配担保

当新生代进行垃圾回收后，新生代的存活区放置不下或Eden区放置不下新的大对象，那么需要把这些对象放置到老年代去的策略，也就是老年代为新生代的GC做空间分配担保，步骤如下：

Mark-Compact: 标记-整理算法

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。这种情况在年轻代经常发生，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，由于存活的对象较多，复制的成本也将很高。

标记-整理算法和标记-清除算法差不多，都是一开始对回收对象进行标记，但后续不是直接对对象清理，而是让所有存活的对象都向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存，如下图所示：


分代收集算法

分代收集算法是目前大部分JVM的垃圾收集器采用的算法。它的核心思想是根据对象存活的生命周期将内存划分为若干个不同的区域。一般情况下将堆区划分为老年代（Tenured Generation）和新生代（Young Generation），老年代的特点是每次垃圾收集时只有少量对象需要被回收，而新生代的特点是每次垃圾回收时都有大量的对象需要被回收，那么就可以根据不同代的特点采取最适合的收集算法。

垃圾收集器

近期垃圾收集器发展过程

1、串行垃圾回收器

串行的垃圾收集器有两种，Serial与Serial Old，一般两者搭配使用。是单线程收集器，在垃圾收集时，会Stop The World。

2、并行垃圾回收器

ParNew(并行)收集器：使用多线程进行垃圾回收，在垃圾收集时，会Stop The World。

3、新生代Parallel Scavenge收集器

4、CMS收集器

CMS（ Concurrent Mark-Sweep 并发标记清除）收集器是一种以获得最短回收停顿时间为目标的收集器。从名字就能直到其是给予标记-清除算法的。但是它比一般的标记-清除算法要复杂一些，分为以下4个阶段：

所谓浮动垃圾，在CMS并发清理阶段用户线程还在运行着，伴随程序运行自然还会有新的垃圾不断产生，这一部分垃圾出现在标记过程之后，CMS无法在当次收集中处理掉它们，只能留待下一次GC时再清理掉。

参数设置

G1收集器

把G1单独拿出来的原因是其比较复杂，在JDK 1.7确立是项目目标，在JDK 7u2版本之后发布，并在JDK 9中成为了默认的垃圾回收器。通过“-XX:+UseG1GC”启动参数即可指定使用G1 GC。

G1收集器的运作大致可以分为以下步骤：初始标记、并发标记、最终标记、筛选回收。

G1收集器运行示意图如下图所示。


G1分区的概念

G1的堆区在分代的基础上，引入分区的概念。G1将堆分成了若干Region,以下和”分区”代表同一概念。（这些分区不要求是连续的内存空间）Region的大小可以通过G1HeapRegionSize参数进行设置，其必须是2的幂，范围允许为1Mb到32Mb。 JVM的会基于堆内存的初始值和最大值的平均数计算分区的尺寸，平均的堆尺寸会分出约2000个Region。分区大小一旦设置，则启动之后不会再变化。如下图简单画了下G1分区模型。

Eden regions(年轻代-Eden区)
Survivor regions(年轻代-Survivor区)
Old regions（老年代）
Humongous regions（巨型对象区域）
Free regions（未分配区域，也会叫做可用分区）-上图中空白的区域

G1中的巨型对象是指，占用了Region容量的50%以上的一个对象。Humongous区，就专门用来存储巨型对象。如果一个H区装不下一个巨型对象，则会通过连续的若干H分区来存储。因为巨型对象的转移会影响GC效率，所以并发标记阶段发现巨型对象不再存活时，会将其直接回收。ygc也会在某些情况下对巨型对象进行回收。

分区可以有效利用内存空间，因为收集整体是使用“标记-整理”，Region之间基于“复制”算法，GC后会将存活对象复制到可用分区（未分配的分区），所以不会产生空间碎片。

G1参数设置：

G1 GC的分类和过程

JDK10 之前的G1中的GC只有Young GC，Mixed GC。Full GC处理会交给单线程的Serial Old垃圾收集器。

Young GC年轻代收集

在分配一般对象（非巨型对象）时，当所有Eden region使用达到最大阀值并且无法申请足够内存时，会触发一次Young GC。每次Young GC会回收所有Eden以及Survivor区，并且将存活对象复制到Old区以及另一部分的Survivor区。到Old区的标准就是在PLAB中得到的计算结果。因为Young GC会进行根扫描，所以会stop the world。

Young GC的回收过程如下：

Mix GC混合收集

Mixed GC是G1 GC特有的，跟Full GC不同的是Mixed GC只回收部分老年代的Region。哪些old region能够放到CSet里面，有很多参数可以控制。比如G1HeapWastePercent参数，在一次young GC之后，可以允许的堆垃圾百占比，超过这个值就会触发mixed GC。

G1MixedGCLiveThresholdPercent参数控制的，old代分区中的存活对象比，达到阀值时，这个old分区会被放入CSet。

Mixed GC一般会发生在一次Young GC后面,为了提高效率，Mixed GC会复用Young GC的全局的根扫描结果，因为这个Stop the world过程是必须的，整体上来说缩短了暂停时间。

Mix GC的回收过程可以理解为Young GC后附加的全局concurrent marking，全局的并发标记主要用来处理old区（包含H区）的存活对象标记，过程如下：

清除阶段之后，还会对存活对象进行转移（复制算法），转移到其他可用分区，所以当前的分区就变成了新的可用分区。复制转移主要是为了解决分区内的碎片问题。

Full GC

G1在对象复制/转移失败或者没法分配足够内存（比如巨型对象没有足够的连续分区分配）时，会触发Full GC。Full GC使用的是stop the world的单线程的Serial Old模式，所以一旦触发Full GC则会STW应用线程，并且执行效率很慢。JDK 8版本的G1是不提供Full GC的处理的。对于G1 GC的优化，很大的目标就是没有Full GC。

ZGC收集器

GC性能指标

JVM内存容量配置原则

参考：
https://zhuanlan.zhihu.com/p/73628158

https://www.cnblogs.com/czwbig/p/11127159.html

https://segmentfault.com/a/1190000010463373

https://blog.csdn.net/iva_brother/article/details/87886525

http://blog.itpub.net/69906029/viewspace-2654005/

https://www.cnblogs.com/lfs2640666960/p/8522588.html

https://www.cnblogs.com/lsgxeva/p/10231201.html

https://www.cnblogs.com/blythe/p/7488061.html

https://www.cnblogs.com/jimoer/p/13170249.html

https://blog.51cto.com/u_11440114/5103211

https://blog.csdn.net/lovewangyihui/article/details/122442440

上一篇 下一篇

猜你喜欢

热点阅读