Java GC 的那些事（1）

前言

與C語言不同，Java記憶體（堆記憶體）的分配與回收由JVM垃圾收集器自動完成，這個特性深受大家歡迎，能夠幫助程式設計師更好的編寫程式碼，本文以HotSpot虛擬機為例，說一說Java GC的那些事。

Java堆記憶體

在JVM記憶體的那些事一文中，我們已經知道Java堆是被所有執行緒共享的一塊記憶體區域，所有物件實例和陣列都在堆上進行記憶體分配。為了進行高效率的垃圾回收，虛擬機器把堆記憶體劃分成新生代（Young Generation）、老年代（Old Generation）和永久代（Permanent Generation）3個區域。

新生代

新生代由Eden 與Survivor Space（S0，S1）構成，大小透過-Xmn參數指定， Eden 與Survivor Space 的記憶體大小比例預設為8:1，可以透過-XX:SurvivorRatio 參數指定，例如新生代為10M 時，Eden分配8M，S0和S1各分配1M。

Eden：希臘語，意思是伊甸園，在聖經中，伊甸園含有樂園的意思，根據《舊約·創世紀》記載，上帝耶和華照自己的形象造了第一個男人亞當，再用亞當的一個肋骨創造了一個女人夏娃，並安置他們住在了伊甸園。

大多數情況下，物件在Eden中分配，當Eden沒有足夠空間時，會觸發一次Minor GC，虛擬機器提供了-XX:+PrintGCDetails參數，告訴虛擬機器在發生垃圾回收時列印內存回收日誌。

Survivor：意思是倖存者，是新生代和老年代的緩衝區域。

當新生代發生GC（Minor GC）時，會將存活的物件移到S0記憶體區域，並清空Eden區域，當再次發生Minor GC時，將Eden和S0中存活的物件移到S1記憶體區。

存活物件會反覆在S0和S1之間移動，當物件從Eden移動到Survivor或Survivor之間移動時，物件的GC年齡會自動累加，當GC年齡超過預設閾值15時，會將該物件移到老年代，可以透過參數-XX:MaxTenuringThreshold 對GC年齡的閾值進行設定。

老年代

老年代的空間大小即-Xmx 與-Xmn 兩個參數之差，用於存放經過幾次Minor GC之後依舊存活的對象。當老年代的空間不足時，會觸發Major GC/Full GC，速度一般比Minor GC慢10倍以上。

永久代

在JDK8之前的HotSpot實作中，類別的元資料如方法資料、方法資訊（字節碼，堆疊和變數大小）、執行時常數池、已確定的符號引用和虛方法表等被保存在永久代中，32位元預設永久代的大小為64M，64位元預設為85M，可以透過參數-XX:MaxPermSize進行設置，一旦類別的元資料超過了永久代大小，就會拋出OOM異常。

虛擬機團隊在JDK8的HotSpot中，把永久代從Java堆中移除了，並把類別的元資料直接保存在本地記憶體區域（堆外記憶體），稱之為元空間。

這樣做有什麼好處？

有經驗的同學會發現，對永久代的調優過程非常困難，永久代的大小很難確定，其中涉及到太多因素，如類的總數、常量池大小和方法數量等，而且永久代的資料可能會隨著每一次Full GC而發生移動。

而在JDK8中，類別的元資料保存在本地記憶體中，元空間的最大可分配空間就是系統可用記憶體空間，可以避免永久代的記憶體溢位問題，不過需要監控記憶體的消耗情況，一旦發生記憶體洩漏，會佔用大量的本地記憶體。

ps：JDK7之前的HotSpot，字串常數池的字串被儲存在永久代中，因此可能導致一系列的效能問題和記憶體溢出錯誤。在JDK8中，字串常數池中只保存字串的參考。

如何判斷物件是否存活

GC動作發生之前，需要確定堆記憶體中哪些物件是存活的，一般有兩種方法：引用計數法和可達性分析法。

1、引用計數法

在物件上新增一個引用計數器，每當有一個物件引用它時，計數器加1，當使用完該物件時，計數器減1，計數器值為0的物件表示不可能再被使用。

引用計數法實現簡單，判定高效，但不能解決物件之間相互引用的問題。

public class GCtest {
    private Object instance = null;
    private static final int _10M = 10 * 1 << 20;
    // 一个对象占10M，方便在GC日志中看出是否被回收
    private byte[] bigSize = new byte[_10M];
    public static void main(String[] args) {
        GCtest objA = new GCtest();
        GCtest objB = new GCtest();
        objA.instance = objB;
        objB.instance = objA;
        objA = null;
        objB = null;
        System.gc();
    }
}

透過新增-XX:+PrintGC參數，執行結果：

[GC (System.gc()) [PSYoungGen: 26982K->1194K(75776K)] 26982K->1202K(249344K), 0.0010103 secs]

从GC日志中可以看出objA和objB虽然相互引用，但是它们所占的内存还是被垃圾收集器回收了。

2、可达性分析法

通过一系列称为 “GC Roots” 的对象作为起点，从这些节点开始向下搜索，搜索路径称为 “引用链”，以下对象可作为GC Roots：

本地变量表中引用的对象

方法区中静态变量引用的对象

方法区中常量引用的对象

Native方法引用的对象

当一个对象到 GC Roots 没有任何引用链时，意味着该对象可以被回收。



在可达性分析法中，判定一个对象objA是否可回收，至少要经历两次标记过程：

1、如果对象objA到 GC Roots没有引用链，则进行第一次标记。

2、如果对象objA重写了finalize()方法，且还未执行过，那么objA会被插入到F-Queue队列中，由一个虚拟机自动创建的、低优先级的Finalizer线程触发其finalize()方法。finalize()方法是对象逃脱死亡的最后机会，GC会对队列中的对象进行第二次标记，如果objA在finalize()方法中与引用链上的任何一个对象建立联系，那么在第二次标记时，objA会被移出“即将回收”集合。

看看具体实现

public class FinalizerTest {
    public static FinalizerTest object;
    public void isAlive() {
        System.out.println("I'm alive");
    }
    @Override
    protected void finalize() throws Throwable {
        super.finalize();
        System.out.println("method finalize is running");
        object = this;
    }
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        object = new FinalizerTest();
        // 第一次执行，finalize方法会自救
        object = null;
        System.gc();
        Thread.sleep(500);
        if (object != null) {
            object.isAlive();
        } else {
            System.out.println("I'm dead");
        }
        // 第二次执行，finalize方法已经执行过
        object = null;
        System.gc();
        Thread.sleep(500);
        if (object != null) {
            object.isAlive();
        } else {
            System.out.println("I'm dead");
        }
    }
}

执行结果：

method finalize is running
I'm alive
I'm dead

从执行结果可以看出：

第一次发生GC时，finalize方法的确执行了，并且在被回收之前成功逃脱；

第二次发生GC时，由于finalize方法只会被JVM调用一次，object被回收。

当然了，在实际项目中应该尽量避免使用finalize方法。

Java GC 的那些事（1）

Java GC的那些事（2）

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