序言
相信各位Android和Java开发的同学都知道,Java与C++不同,JVM会自动管理内存,即自动帮我们分配内存和回收内存,而垃圾回收机制(GC)就是用来帮助我们回收内存的。
那么,问题就来了,垃圾回收机制会涉及到哪些内存区域,以及回收的过程如何?这就需要我们对JVM内存结构有一个清晰的认识。
下面,我们先介绍JVM内存结构,再介绍垃圾回收机制。
JVM内存结构
请看下图:
![9942787-b925d2194e8e8c40.png](https://upload-images.jianshu.io/upload_images/9942787-b925d2194e8e8c40.png)
图中清晰的划分了JVM内存结构,针对上图,做一些简要的说明:
- JVM内存组成部分包括方法区(包含运行时常量池),堆、程序计数器、JVM栈和本地方法栈
- 方法区和堆内存是各线程共享的内存区域,而程序计数器、JVM栈和本地方法栈是各线程独享内存。
下面,将对每个区域进行详细的介绍。
1. 方法区
别名
:持久代作用
:主要用来存储虚拟机加载的类结构信息(版本、字段、方法、接口)、常量、静态变量、还有及时编译后的代码。特点
:
- 各线程共享的内存区域
- 内存区域可以不连续,可以动态扩展
- 该区域并不是真正的“永久代”,偶尔也会进行内存回收,包括对常量池的回收和内存数据的卸载,频率比堆内存回收低很多
- 方法区无法满足内存需求时,会报OutOfMenmeryError异常
2. 运行时常量池
作用
:主要用于存储Java类文件常量池中的符号信息特点
:
- 是方法区的一部分,也是线程间共享
- 内容主要来源于JVM对Class的加载
- 运行期间,常量池无法申请到新的空间,也会报OutOfMenmoryError异常
3. 堆
别名
:Java堆、GC堆作用
:用来存储对象实例和数组(简单来说所有new出来的对象都存在堆内存中)特点
:
- 各线程共享堆内存
- 是JVM管理的内存中最大一块内存区域
- 堆被划分为新生代、老年代,后面会详细介绍这两个区域
- 堆空间不足,也会报OutOfMenmoryError异常
Generation
:
通过下图简单认识新生代、老年代和持久代。
![9942787-7f70f0209d3f5ada.png](https://upload-images.jianshu.io/upload_images/9942787-7f70f0209d3f5ada.png)
新生代:为新创建的对象分配内存,目的是尽量快速回收生命周期短的对象。从上图可知,新生代分为一个EdenSpace(伊甸园)和两个Survivor(幸存区),分别是FromSpace和ToSpace。
大部分对象在Eden区,但Eden区满了,此区存活的对象会copy到from幸存区,当from幸存区满,Eden和from幸存区存活的对象会被copy到to幸存区,然后from和to两个指针交换位置,保证在下一次GC之前,to幸存区是空的,当一个对象经过多次(有的垃圾回收器回收策略是15次)copy,就会晋升到老年代。针对新生代的垃圾回收是MinorGC。老年代:存放生命周期很长的对象(经过多次新生代GC仍然存活的对象),针对老年代的垃圾回收是FullGC。
持久代:就是上面介绍的方法区,当它的空间不足,也会触发FullGC。
4. 程序计数器
作用
:保证在多线程环境中程序可以连续执行。存放当前线程执行字节码的行号,字节码解释器工作时,是通过改变计数器的值来选取下一条字节码指令。特点
:
- 各线程私有内存区域
- JVM管理的内存中最小的一块内存区域
5. JVM栈
作用
:用来描述方法执行的内存区域。特点
:
- 线程私有内存区域
- 占空间不足,会报StackOverFlowError异常
栈的组成
:
栈是用来存储栈帧的,每当线程调用一个方法,就会产生一个栈帧,压入栈内。
而栈帧是由局部变量表、操作数栈和帧数据区组成:
- 局部变量表:用来存放方法中的局部变量(包括基本数据类型和对象引用),通过索引取值。
- 操作数栈:可以理解为临时存储计算数据的区域。通过入栈出栈方式取值。
- 帧数据区:用来记录方法调用信息,处理方法的正常返回和异常终止。如果方法正常返回,则把当前栈帧从栈中弹出,如果方法有返回值,则把返回值压入到调用方法的操作数栈。也可以支持常量池解析。
6. 本地方法栈
跟JVM栈类似,只不过JVM栈用来执行Java方法,而本地方法栈用来执行Native方法。
到这里,JVM内存结构介绍完毕,有了这个基础,下面我们一起学习Java垃圾回收机制。
Java垃圾回收机制(GC)
首先,我们需要有个概念,垃圾回收机制主要是回收堆内存区域,偶尔也会回收方法区。
关于垃圾回收,我们需要弄清楚下面三个问题:
- 哪些内存需要回收?(经典算法:引用计数算法和可达性分析算法)
- 什么时候触发垃圾回收?(新生代、老年代、持久代回收时机,MinorGC和FullGC)
- 如何回收?(经典算法:标记清除算法、复制算法、标记整理算法和分代回收算法)
带着这些问题,我们来展开学习。
关于垃圾回收机制,必须记住一规则:Stop-the-World(JVM执行GC时线程都会处于等待状态,任何GC算法都是如此)
。
1. 确定对象是否可以回收
这里有两种经典算法确定对象是否可以被回收:引用计数算法和可达性分析算法。
引用计数算法
简介:根据对象被引用的数量来判断对象是否可以被回收。
详细描述:这是垃圾收集器早期的一种策略,堆中每个对象实例都有一个引用计数器。对象A,当它的引用赋值给一个变量(如a = A,b = a),则引用计数器+1;当A的引用变量生命周期结束或者设置一个新值(如a = B),那么引用计数器-1。特殊情况:当一个对象实例被垃圾收集器回收,该对象引用的任何实例的引用计数器都-1。
优点:引用计数收集器执行速度很快,不会长时间打断程序的执行。
缺点:很难解决对象之间相互循环引用问题。
![9942787-86d0409d2b3a74e1.png](https://upload-images.jianshu.io/upload_images/9942787-86d0409d2b3a74e1.png)
这个时候,对象A和对象B都无法被回收。
可达性分析算法
简介:根据对象引用链是否可达来判断对象是否可以被回收。
详细描述:程序把所有的引用关系看做一张拓扑图,通过一系列的"GC Roots"作为起点,这些节点向下索引,搜索所走过的路径称为引用链,当一个对象没有任何引用链到达"GC Roots",那么这个对象不可达,可以被回收。可以作为"GC Roots"的对象包括:
- 虚拟机栈和本地方法栈(栈帧的局部变量表)引用的对象
- 方法区中类静态变量引用的对象
-
方法区中常量引用的对象
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2. 垃圾回收时机
垃圾回收有两种类型:MinorGC和FullGC。MinorGC
对新生代进行回收,不影响老年代,因为新生代对象大多死亡频繁,所以MinorGC也会频发触发。
FullGC
也叫MajorGC,对整个堆进行回收,包括新生代和老年代,由于回收范围大,所以速度慢,因此要尽量少触发FullGC。
对于不同的垃圾收集器,MinorGC和FullGC的触发时机也不一样,我们就以HotSpot的serial GC实现来看:
- 老年代空间不够、永久代空间不够或者手动调用System.gc()都会触发FullGC。
- 新生代的Eden区用完会触发MinorGC。
3. 垃圾收集算法
经典的垃圾回收算法有**标记清除算法、复制算法、标记整理算法、分代收集算法。
标记清除算法
简介:从根集合进开始扫描,标记存活的对象。再扫描整个空间中没有被标记的对象,进行回收。
详细描述:标记和清除两个过程的效率都不高,该算法不需要对对象进行移动,仅清除未标记的对象,清除之后,容易产生大量不连续的内存碎片。程序运行过程中,需要分配较大的对象时,无法找到足够的连续的内存,可能不得不触发另一次垃圾回收操作。
![9942787-a402d5682678ccfc.png](https://upload-images.jianshu.io/upload_images/9942787-a402d5682678ccfc.png)
复制算法
简介:把可用的内存空间划分为大小相同的两块,每次只使用其中一块,当这一块用完之后,就把存活的对象复制到另外一块空间,把当前内存空间一次性清理掉。
详细描述:适用于对象存活率低的场景,如新生代。由于每次都对整个半区进行回收,不用考虑内存碎片,只要移动堆顶指针,按顺序分配内存即可,实现简单高效。事实上,商用虚拟机都采用这种方式回收新生代,据统计,新生代每次回收大概只有10%的存活对象。
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标记整理算法
简介:这是标记清除算法的改进版本,标记过程相同,不过后续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。详细介绍
:类似于磁盘整理过程,适用于存活率高的老年代。对于老年代,复制算法效率会变低,因为对象存活率高,每次都要对很多对象进行复制操作。
![9942787-c064e7ecc999aa05.png](https://upload-images.jianshu.io/upload_images/9942787-c064e7ecc999aa05.png)
分代收集算法
简介:不同生命周期的对象位于堆中不同区域,生命周期短位于新生代,生命周期长位于老年代,不同区域采取不同的回收策略,提高JVM执行效率。
详细描述:当代商用虚拟机都采用了分代收集算法,新生代采用复制算法,老年代采用标记整理算法(或标记清除算法)。
四种引用对GC的影响
我们知道,Java中有四种引用方式:强引用、软引用、弱引用、虚引用。
- 强-FinalReference:存过的对象永远不会被GC回收,满世界都在用,正常创建对象都是强引用。
- 软-SoftReference:内存不足时会被GC回收,如果回收后还不足,则报OOM,常用于缓存一些比较占内存的资源,比如图片缓存。
- **弱-WeakReference **:GC遇到了就会回收,弱于软引用,可以用来解决内存泄漏问题(子线程、静态方法中、枚举中)。
- 虚-PhantomReference:无法通过虚引用获取对象值,它的get方法永远返回null。如果一个对象仅持有虚引用,那么这个对象任何时候都可以被回收。
虚引用要结合ReferenceQueue(引用队列)一起使用,当垃圾回收器准备回收一个对象,发现它持有虚引用,就在回收对象之前,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ReferenceQueue中是否加入了虚引用,来判断被引用对象是否要被回收,在被回收之前可以进行一些必要的操作。
总结
到这列,本文内容介绍完毕,我们来总结一下:
本文先介绍了JVM内存结构,主要分为方法区、堆、栈和程序计数器。
了解JVM内存结构之后,我们继续介绍垃圾回收机制,主要从怎样确定对象是否能够被回收、回收时机、回收算法这三个方面进行介绍。
最后,讲解了Java四种引用方式对GC的影响。
看到这里的小伙伴,希望你有所收获!!