圖文詳解java記憶體回收機制_java

在Java中，它的記憶體管理組件括兩方面：記憶體配置（建立Java對象的時候）和記憶體回收，這兩方面工作都是由JVM自動完成的，降低了Java程式員的學習難度，避免了像C/C++直接操作記憶體的危險。但是，也正因為記憶體管理完全由JVM負責，所以也使Java很多程式員不再關心記憶體配置，導致很多程式低效，耗記憶體。因此就有了Java程式員到最後應該去瞭解JVM，才能寫出更高效，充分利用有限的記憶體的程式。 

1.Java在記憶體中的狀態 

首先我們先寫一個代碼為例子：
Person.java

package test;import java.io.Serializable;public class Person implements Serializable {  static final long serialVersionUID = 1L;  String name; // 姓名  Person friend;  //朋友  public Person() {}  public Person(String name) {    super();    this.name = name;  }} 

Test.java

 package test;public class Test{  public static void main(String[] args) {    Person p1 = new Person("Kevin");    Person p2 = new Person("Rain");    Person p3 = new Person("Sunny");    p1.friend = p2;    p3 = p2;    p2 = null;  }} 

把上面Test.java中main方面裡面的對象引用畫成一個從main方法開始的對象引用圖的話就是這樣的（頂點是對象和引用，有向邊是參考關聯性）：

當程式運行起來之後，把它在記憶體中的狀態看成是有向圖後，可以分為三種： 

1）可達狀態：在一個對象建立後，有一個以上的引用變數引用它。在有向圖中可以從起始頂點導航到該對象，那它就處於可達狀態。 

2）可恢複狀態：如果程式中某個對象不再有任何的引用變數引用它，它將先進入可恢複狀態，此時從有向圖的起始頂點不能再導航到該對象。在這個狀態下，系統的記憶體回收機制準備回收該對象的所佔用的記憶體，在回收之前，系統會調用finalize()方法進行資源清理，如果資源整理後重新讓一個以上引用變數引用該對象，則這個對象會再次變為可達狀態；否則就會進入不可達狀態。 

3）不可達狀態：當對象的所有關聯都被切斷，且系統調用finalize()方法進行資源清理後依舊沒有使該對象變為可達狀態，則這個對象將永久性失去引用並且變成不可達狀態，系統才會真正的去回收該對象所佔用的資源。 

上述三種狀態的轉換圖如下： 

2.Java對對象的4種引用 

1）強引用 ：建立一個對象並把這個對象直接賦給一個變數，eg ：Person person = new Person(“sunny”); 不管系統資源有麼的緊張，強引用的對象都絕對不會被回收，即使他以後不會再用到。 

2）軟引用 ：通過SoftReference類實現，eg : SoftReference<Person> p = new SoftReference<Person>(new Person(“Rain”));,記憶體非常緊張的時候會被回收，其他時候不會被回收，所以在使用之前要判斷是否為null從而判斷他是否已經被回收了。 

3）弱引用 ：通過WeakReference類實現，eg : WeakReference<Person> p = new WeakReference<Person>(new Person(“Rain”));不管記憶體是否足夠，系統記憶體回收時必定會回收。 

4）虛引用 ：不能單獨使用，主要是用於追蹤對象被記憶體回收的狀態。通過PhantomReference類和引用隊列ReferenceQueue類聯合使用實現，eg ：

 package test;import java.lang.ref.PhantomReference;import java.lang.ref.ReferenceQueue;public class Test{  public static void main(String[] args) {    //建立一個對象    Person person = new Person("Sunny");      //建立一個引用隊列      ReferenceQueue<Person> rq = new ReferenceQueue<Person>();    //建立一個虛引用，讓此虛引用引用到person對象    PhantomReference<Person> pr = new PhantomReference<Person>(person, rq);    //切斷person引用變數和對象的引用    person = null;    //試圖取出虛引用所引用的對象    //發現程式並不能通過虛引用訪問被引用對象，所以此處輸出為null    System.out.println(pr.get());    //強制記憶體回收    System.gc();    System.runFinalization();    //因為一旦虛引用中的對象被回收後，該虛引用就會進入引用隊列中    //所以用隊列中最先進入隊列中引用與pr進行比較，輸出true    System.out.println(rq.poll() == pr);  }} 

運行結果： 

3.Java記憶體回收機制 

其實Java記憶體回收主要做的是兩件事：1）記憶體回收 2）磁碟重組 

3.1記憶體回收演算法 

1）串列回收（只用一個CPU）和並行回收（多個CPU才有用）：串列回收是不管系統有多少個CPU，始終只用一個CPU來執行記憶體回收操作，而並行回收就是把整個回收工作拆分成多個部分，每個部分由一個CPU負責，從而讓多個CPU並行回收。並行回收的執行效率很高，但複雜度增加，另外也有一些副作用，如記憶體隨便增加。 

2）並發執行和應用程式停止 ：應用程式停止（Stop-the-world）顧名思義，其記憶體回收方式在執行記憶體回收的同時會導致應用程式的暫停。並發執行的記憶體回收雖然不會導致應用程式的暫停，但由於並發執行垃圾需要解決和應用程式的執行衝突（應用程式可能在記憶體回收的過程修改對象），因此並發執行記憶體回收的系統開銷比Stop-the-world高，而且執行時需要更多的堆記憶體。 

3）壓縮和不壓縮和複製 ： 

①支援壓縮的記憶體回收行程（標記-壓縮 = 標記清除+壓縮）會把所有的可達對象搬遷到一起，然後將之前佔用的記憶體全部回收，減少了記憶體片段。 

②不壓縮的記憶體回收行程（標記-清除）要遍曆兩次，第一次先從跟開始訪問所有可達對象，並將他們標記為可達狀態，第二次便利整個記憶體地區，對未標記可達狀態的對象進行回收處理。這種回收方式不壓縮，不需要額外記憶體，但要兩次遍曆，會產生片段 

③複製式的記憶體回收行程：將堆記憶體分成兩個相同空間，從根（類似於前面的有向圖起始頂點）開始訪問每一個關聯的可達對象，將空間A的全部可達對象複製到空間B，然後一次性回收空間A。對於該演算法而言，因為只需訪問所有的可達對象，將所有的可達對象複製走之後就直接回收整個空間，完全不用理會不可達對象，所以遍曆空間的成本較小，但需要巨大的複製成本和較多的記憶體。 

3.2堆記憶體的分代回收 

1）分代回收的依據： 
①對象存留時間的長短：大部分對象在Young期間就被回收 
②不同代採取不同的記憶體回收策略：新（存留時間短）老（存留時間長）對象之間很少存在引用 

2) 堆記憶體的分代： 

①Young代 ： 
Ⅰ回收機制 ：因為對象數量少，所以採用複製回收。 
Ⅱ組成地區 ：由1個Eden區和2個Survivor區構成，同一時間的兩個Survivor區，一個用來儲存對象，另一個是空的；每次進行Young代記憶體回收的時候，就把Eden，From中的可達對象複製到To地區中，一些存留時間長的就複製到了老年代，接著清除Eden，From空間，最後原來的To空間變為From空間，原來的From空間變為To空間。
Ⅲ對象來源 ：絕大多數對象先分配到Eden區，一些大的對象會直接被分配到Old代中。 
Ⅳ回收頻率 ：因為Young代對象大部分很快進入不可達狀態，因此回收頻率高且回收速度快

②Old代 ：
Ⅰ回收機制 ：採用標記壓縮演算法回收。 
Ⅱ對象來源 ：1.對象大直接進入老年代。 

2.Young代中存留時間長的可達對象 
Ⅲ回收頻率 ：因為很少對象會死掉，所以執行頻率不高，而且需要較長時間來完成。 
③Permanent代 ： 
Ⅰ用      途 ：用來裝載Class，方法等資訊，預設為64M，不會被回收 
Ⅱ對象來源 ：eg：對於像Hibernate，Spring這類喜歡AOP動態產生類的架構，往往會產生大量的動態代理類，因此需要更多的Permanent代記憶體。所以我們經常在調試Hibernate，Spring的時候經常遇到java.lang.OutOfMemoryError:PermGen space的錯誤，這就是Permanent代記憶體耗盡所導致的錯誤。 
Ⅲ回收頻率 ：不會被回收

 3.3常見的記憶體回收行程 

1）串列回收器（只使用一個CPU）：Young代採用串列複製演算法；Old代使用串列標記壓縮演算法（三個階段：標記mark—清除sweep—壓縮compact），回收期間程式會產生暫停， 

2）並行回收器：對Young代採用的演算法和串列回收器一樣，只是增加了多CPU平行處理； 對Old代的處理和串列回收器完全一樣，依舊是單線程。 

3）並行壓縮回收器：對Young代處理採用與並行回收器完全一樣的演算法；只是對Old代採用了不同的演算法，其實就是劃分不同的地區，然後進行標記壓縮演算法： 

① 將Old代劃分成幾個固定地區； 
② mark階段（多線程並行），標記可達對象； 
③ summary階段（串列執行），從最左邊開始檢驗知道找到某個達到數值（可達對象密度小）的地區時，此地區及其右邊地區進行壓縮回收，其左端為密集地區 
④ compact階段（多線程並行），識別出需要裝填的地區，多線程並行的把資料複製到這些地區中。經此過程後，Old代一端密集存在大量使用中的物件，另一端則存在大塊空間。 

4）並發標識—清理回收（CMS）：對Young代處理採用與並行回收器完全一樣的演算法；只是對Old代採用了不同的演算法，但歸根待地還是標記清理演算法： 

① 初始標識（程式暫停）：標記被直接引用的對象(一級對象)；
② 並發標識（程式運行）：通過一級對象尋找其他可達對象；
③ 再標記（程式暫停）：多線程並行的重新標記之前可能因為並發而漏掉的對象（簡單的說就是防遺漏） 
④ 並發清理（程式運行） 

4.記憶體管理小技巧 

1）盡量使用直接量，eg：String javaStr = “小學徒的成長曆程”; 
2）使用StringBuilder和StringBuffer進行字串串連等操作; 
3）儘早釋放無用對象; 
4）盡量少使用靜態變數; 
5）緩衝常用的對象:可以使用開源的開源緩衝實現，eg：OSCache，Ehcache; 
6）盡量不使用finalize()方法; 
7）在必要的時候可以考慮使用軟引用SoftReference。

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