JAVA垃圾收集機制與記憶體配置

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引言

垃圾收集技術並不是Java語言首創的，1960年誕生於MIT的Lisp是第一門真正使用記憶體動態分配和垃圾收集技術的語言。垃圾收集技術需要考慮的三個問題是：

哪些記憶體需要回收?
什麼時候回收?
如何回收?

http://segmentfault.com/a/1190000002931555 中講到java記憶體運行時地區的分布，其中程式計數器，虛擬機器棧，本地方法區都是隨著線程而生，隨線程而滅，所以這幾個地區就不需要過多考慮回收問題。但是堆和方法區就不一樣了，只有在程式運行期間我們才知道會建立哪些對象，這部分記憶體的分配和回收都是動態。垃圾收集器所關注的就是這部分記憶體。

一 對象死亡判據

垃圾收集器在對一個對象回收之前，首先要判斷對象在程式中是否還有使用的可能性，充要條件就是沒有被程式可訪問的引用再指向這個對象執行個體。最簡單的辦法就是給對象執行個體添加中添加一個引用計數器，每當有一個引用指向它時，計數器就加一，當引用失效時，計數器就減一，如果計數器值為0則說明沒有引用指向它，可以進行回收。但是這個方法中計數器為0並不是一個必要條件，例如，產生兩個對象執行個體，每個對象執行個體的屬性都指向對方，那麼這個兩個對象執行個體分別最少有一個引用。

java採用的是可達性分析演算法，即找一部分對象作為"GC Roots"節點，從這些節點開始向下搜尋，當某個對象到"GC Roots"節點沒有可達路徑時，說明此對象是停用。在java中作為"GC Roots"的節點包括：

1. 虛擬機器棧中引用的對象，
2. 方法區靜態屬性引用的對象，
3. 方法區常量引用的對象，
4. 本地方法區中本地調用所引用的對象。

引用擴充

如果reference類型的資料中儲存的數值是另一塊記憶體的起始地址，那麼這塊記憶體就代表著一個引用。一個對象在這種狀態下，只能有被引用和沒有被引用兩種狀態。java對引用概念進行了擴充，將引用分為強引用（new），軟引用（softReference），弱引用（WeakReference），虛引用（PhantomReference）。如果強引用存在，則垃圾收集器不會回收該對象。如果系統即將發生記憶體溢出異常，那麼記憶體回收集器則會回收軟引用對象。弱引用對象只能存活到下一次垃圾收集之前。虛引用對象不會對其存留時間構成任何影響。

對象的自我救贖

在垃圾收集器發現某一個對象到"GC Roots"路徑不可達時，先會判斷該對象是否覆蓋finalize()方法，或是否執行過finalize()方法。如果覆蓋了且沒有執行過該方法，則會將該對象放到低優先順序的Finalizer線程隊列中去執行finalize()方法，如果在finalize()方法中該對象又被引用，則會有一次逃脫被回收的命運。

方法區的回收

方法區中主要回收廢棄的常量和無用的類。對於常量，如果沒有引用指向常量，則該常量會被回收。對於類的回收則麻煩許多，首先要判斷該類是無用的類，無用的類要滿足三個條件：
1. 所有類的執行個體被回收。
2. 載入該類的ClassLoader已經被回收。
3. Class沒有被引用，不會通過反射訪問該類的方法。

二 記憶體回收演算法標記-清除演算法（Mark-Sweep）

該演算法分為兩個階段：首先標記處要回收的對象，標記完成後統一回收所有被標記的對象。
存在的問題：
1. 標記和清除效率都不高
2. 標記清除後會產生大量記憶體片段，分配大對象時可能觸發另一次垃圾收集。

複製演算法（Copying）

該演算法將記憶體分為兩個等大小的地區，每次只使用一個地區。當一個地區快用完了，就將這個地區中存活的對象複製到另一個地區。

優點是避免了記憶體片段的產生，缺點是浪費記憶體空間。

有公司研究表明，新生代的對象98%都是朝生暮死，所以虛擬機器把新生代記憶體劃分為一個較大的Eden空間和兩個較小的Survivor空間。每次只是用Eden空間和一個Survior空間，當進行複製清理時，將Survivor空間和Eden空間中存活的對象複製到另一塊Survivor空間。當Survivor空間不夠用時，就會依賴老年代進行分配擔保。

標記-整理演算法（Mark-Compact）

針對老年代對象存活率高的情況，複製演算法明顯不合適，於是採用標記整理演算法，標記和標記清除演算法相同，二後邊的整理則是讓所有存活的對象都向一端移動，然後清理掉邊界外的記憶體。

分代收集

當前虛擬機器都採用分代收集，分代的依據是對象的存活周期。一般新生代存活率低，採用複製演算法。老年代存活率高採用標記整理或標記清除。

三 垃圾收集器

由於虛擬機器採用了分代收集，所以針對不同代收集器也不同。是HotSpot虛擬機器的垃圾收集器，連線表示可以協同工作。

Serial收集器，複製演算法，它是一個單線程的收集器，並且在進行收集時會暫停其他線程，它預設是client模式下的新生代收集器。

ParNew收集器是Serial收集器的多線程版，它是第一款並發收集器。

Parallel Scavenge收集器可以精確控制輸送量（使用者代碼已耗用時間/（使用者代碼時間+垃圾收集時間））

SerialOld收集器是serial收集器的老年版，採用標記整理演算法，同樣是單線程收集器。

ParallelOld是ParallelScavenge收集器的老年版，使用多線程和標記整理演算法。

CMS收集器是以最短回收停頓時間為目標的收集器，採用標記清除演算法，在重視響應速度的系統中得以應用。但是缺點是對CPU資源敏感，無法處理浮動垃圾，易產生記憶體片段。

G1收集器是最新推出的收集器，可應用在JDK1.7u4及以上版本。它將記憶體分為多個Region，新生代和老年代分別包含多個Region。G1跟蹤各個Region，判斷垃圾價值大小，優先回收價值最大的Region。

四 記憶體配置與回收策略

對象的分配，就是在堆上分配，對象主要分配在新生代的Eden地區中，如果啟動了本地線程分配緩衝，則按線程優先在TLAB中分配。少數情況也有可能直接分配到老年代。

對象在Eden地區分配時，當Eden地區沒有足夠空間，虛擬機器會發起一次新生代垃圾收集。

如果對象需要大量連續記憶體空間，例如String類型和數組。大對象對於虛擬機器記憶體配置來說是一個壞訊息，朝生暮死的大對象是要命的壞訊息。經常出現大對象會導致多次出發垃圾收集。對於這類對象，可以設定參數將大對象直接存入老年代。

每一個對象都有一個年齡計數器，當對象在Eden地區出生，每經過一次GC，並且存入Survivor，計數器加一。當年齡增加到一定程度（預設15），則會被存入老年代。同時，如果Survivor空間中相同年齡對象占空間超過50%，則也會直接進入老年代。

總結

垃圾收集演算法：複製演算法，標記-清除演算法，標記-清理演算法。

垃圾收集器特點：新生代用複製，老年代用標記清理，CMS用標記清除。

Eden空間大小和Survivor空間大小預設比率為8：1，即新生代10%的空間用來存放複製後的對象。

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