Java中有關虛擬機器垃圾回收機制的圖文詳解

在Java虛擬機器中，物件和陣列的記憶體都是在堆中分配的，垃圾收集器主要回收的記憶體就是再堆記憶體中。如果在Java程式運作過程中，動態建立的物件或陣列沒有及時回收，持續積累，最終堆記憶體就會被佔滿，導致OOM。

JVM提供了一種垃圾回收機制，簡稱GC機制。透過GC機制，能夠在運作過程中將堆中的垃圾物件不斷回收，從而確保程式的正常運作。

垃圾對象的判定

我們都知道，所謂「垃圾」對象，就是指我們在程式的運作過程中不再有用的對象，也就是不再存活的對象。那麼怎麼來判斷堆中的物件是「垃圾」、不再存活的物件呢？

引用計數法

每個物件都有一個引用計數的屬性，用來保存該物件被引用的次數。當引用次數為0時，就表示該物件沒有被引用了，也就不會在使用這個物件了，可以判定為垃圾物件。但是，這種方式有一個很大的Bug，就是無法解決物件間相互引用或循環引用的問題：當兩個物件互相引用，他們兩個和其他任何物件也沒有引用關係，它兩個的引用次數都不為0，因此不會被回收，但實際上這兩個物件已經不再有用了。

可達性分析（根搜尋法）

為了避免使用引用數數法所帶來的問題，Java採用了可達性分析法來判斷垃圾物件。

這種方式可以將所有對象的引用關係想像成一棵樹，從樹的根節點GC Root遍歷所有引用的對象，樹的節點就為可達對象，其他沒有處於節點的對象則為不可達對象。

那麼什麼樣的物件可以當作GC的根節點呢？

• 虛擬機器堆疊（在幀堆疊中的本機變數表）中引用的物件

• 方法區中靜態屬性所引用的物件

• 方法區中常數引用的物件

• 本機方法堆疊中JNI引用的物件

引用狀態

垃圾回收機制，不管採用是引用數數法，或是可達性分析法，都與物件的引用有關，Java中存在四種引用狀態：

• #強引用- 我們使用的大部分引用實際上都是強引用，這是使用最普遍的引用。如果一個物件具有強烈引用，就表示它處於可達狀態，垃圾回收器絕不會回收它，即使系統記憶體非常緊張，Java虛擬機寧願拋出 OutOfMemoryError 錯誤，使程式異常終止，也不會回收被強引用所引用的物件。因此，強引用是Java記憶體外洩的主要原因之一。

• 軟引用 - 一個物件只具有軟引用，如果記憶體空間足夠，垃圾回收器就不會回收它，如果記憶體空間不足了，就會回收這些物件的記憶體。只要垃圾回收器沒有回收它，該物件就可以被程式使用。

• 弱引用 - 一個物件只具有弱引用，那就類似於是可有可無的。弱引用和軟引用很像，但弱引用的引用等級較低。弱引用與軟引用的區別在於：只具有弱引用的物件擁有更短暫的生命週期。在垃圾回收器線程掃描它所管轄的內存區域的過程中，一旦發現了只具有弱引用的對象，不管當前內存空間足夠與否，都會回收它的內存。

• 虛引用 - 一個物件只持有虛引用，那麼它就和沒有任何引用一樣，在任何時候都可能被垃圾回收器回收。虛引用主要用來追蹤物件被垃圾回收的活動，我們平常一般不會使用。

垃圾回收演算法

透過可達性分析演算法能夠判定哪些物件是需要回收的了，那麼回收具體需要怎樣去執行呢？

標記-清除演算法

首先需要標記可以回收的物件內存，然後在對回收的內存進行清除。

標記-清除演算法（回收前）

#標記-清除演算法（回收後）

但是這樣的話，隨著程式的運行，會不斷分配釋放內存，在堆中會產生很多的不連續的空閒內存區，即內存碎片。這樣即使有足夠多的空閒內存，也不一定能分配出足夠大的內存，並且可能會造成頻繁的GC，影響效率，甚至OOM。

標記-整理演算法

和標記-清除演算法不同的是，標記-整理演算法在標記後不直接清理可回收內存，而是將存活對像都移動到一端，然後清除掉可回收內存。

標記-整理演算法（回收前）

#標記-整理演算法（回收後）

這樣做的好處就是不會產生記憶體碎片。

複製演算法

複製演算法需要先將記憶體分成兩塊，先在其中一塊記憶體上分配內存，當這塊記憶體被分配完後，則執行垃圾回收，然後把存活物件全部複製到另一塊記憶體上，第一塊記憶體則全部清空。

複製演算法（回收前）

#複製演算法（回收後）

這種演算法不會產生記憶體碎片，但是相當於只能使用一半的記憶體空間。同時，複製演算法和存活物件的數量有關，如果存活物件的數量多，那麼複製演算法的效率會大大降低。

分代收集演算法

在Java虛擬機器中，物件的生命週期有長有短，大部分物件的生命週期很短，只有少部分的物件才會在記憶體中存留較長時間，因此可以依據物件生命週期的長短將它們放在不同的區域。在採用分代收集演算法的Java虛擬機堆中，一般分為三個區域，用來分別儲存這三類對象：

• 新生代- 剛創建的對象，在程式碼運行時一般都會持續不斷地創建新的對象，這些新創建的對像有很多是局部變量，很快就會變成垃圾對象。這些物件被放在一塊稱為新生代的記憶體區域。新生代的特徵是垃圾對像多，存活對象少。

• 老年代 - 有些物件很早就被創建了，經歷了多次GC也沒有被回收，而是一直存活下來。這些物件被放在一塊稱為老年代的區域。老年代的特徵是存活對像多，垃圾對象少。

• 永久代 - 一些伴隨虛擬機器生命週期永久存在的對象，例如一些靜態對象，常數等。這些物件被放在一塊稱為永久代的區域。永久代的特色是這些物件一般不需要垃圾回收，會在虛擬機器運作過程中一直存活。 （在Java1.7之前，方法區中儲存的是永久代對象，Java1.7方法區的永久代對象移到了堆中，而在Java1.8永久代已經從堆中移除了，這塊內存給了元空間。

對於新生代區域，每次GC都會有很多垃圾物件被回收，只有少量存活。因此採用複製回收演算法，GC時把剩餘很少的存活對象複製過去即可。

在新生代區域中，並不是依照1:1的比例來進行複製回收，而是依照8:1:1的比例分為了Eden、SurvivorA、SurvivorB三個區域。其中Eden意為伊甸園，形容有許多新生物件在裡面創建；Survivor區則是倖存者，也就是經歷GC後仍存活下來的物件。

Eden區對外提供堆記憶體。當Eden區快要滿了，則進行Minor GC(新生代GC)，把存活對象放入SurvivorA區，清空Eden區；

1. Eden區被清空後，繼續對外提供堆記憶體；

2. 當Eden區再次被填滿，此時對Eden區和SurvivorA區同時進行Minor GC(新生代GC)，把存活物件放入SurvivorB區，此時同時清空Eden區和SurvivorA區；

3. Eden區繼續對外提供堆內存，並重複上述過程，即在Eden 區填滿後，把Eden區和某個Survivor區的存活物件放到另一個Survivor區；

4. 當某個Survivor區被填滿，且仍有物件未被複製完畢時，或者某些物件在反覆Survive 15次左右時，則把這部分剩餘物件放到老年代區域；當老年區也被填滿時，進行Major GC（老年代GC），對老年代區域進行垃圾回收。

5. 老年代區域物件一般存活週期較長，每次GC時，存活的物件比較多，因此採用標記-整理演算法，GC時移動少量存活對象，不會產生記憶體碎片。

觸發GC的類型

Java虛擬機會把每次觸發GC的資訊印出來，可以根據日誌來分析觸發GC的原因。

GC_FOR_MALLOC：表示是在堆上分配物件時記憶體不足觸發的GC。

GC_CONCURRENT：當我們應用程式的堆記憶體達到一定量，或者可以理解為快要滿的時候，系統會自動觸發GC操作來釋放記憶體。

GC_EXPLICIT：表示是應用程式呼叫System.gc、VMRuntime.gc介面或收到SIGUSR1訊號時觸發的GC。

GC_BEFORE_OOM：表示是在準備拋OOM例外之前進行的最後努力而觸發的GC。

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