引言

在編程世界中，有效的內存管理是至關重要的。這不僅確保了應用程序的穩(wěn)定運行，還可以大大提高性能和響應速度。作為世界上最受歡迎的編程語言之一，通過Java虛擬機內部的垃圾回收器組件來自動管理內存，是成為之一的其中一項必不可少的技術點。

為何需要垃圾回收

在許多傳統(tǒng)的編程語言中，如C和C++，開發(fā)者需要手動管理內存。這意味著他們負責分配內存給新的對象，并在這些對象不再需要時釋放這些內存。這種手動管理內存的過程非常容易出錯，往往會導致內存泄漏或訪問無效的內存地址，進而導致應用程序崩潰。
與此相反，Java選擇了一種不同的方法。在Java中，內存管理是自動的，通過垃圾回收器實現。當對象不再被使用時，GC將自動識別并釋放它們占用的內存，這樣程序員就不必擔心內存泄漏或無效內存訪問。

垃圾回收器在執(zhí)行引擎中的角色

在上一篇文章中，我們介紹了垃圾回收器，它是Java虛擬機執(zhí)行引擎的核心組件之一。執(zhí)行引擎負責執(zhí)行Java字節(jié)碼，并涵蓋了包括字節(jié)碼解釋器、JIT編譯器等在內的多個組件。垃圾回收器則專注于自動管理內存，確保及時回收不再使用的對象，防止內存泄漏，并提高內存使用效率。這種內存管理對于保障Java程序的穩(wěn)定和高效運行至關重要。

內存管理的基本原理

內存管理是任何計算機程序運行的基礎。無論是一個簡單的腳本還是一個復雜的分布式系統(tǒng)，內存管理都是核心組件。在Java中，內存管理變得相對簡單，主要得益于其自動化的垃圾回收系統(tǒng)。但是，要完全利用它的優(yōu)勢并避免常見的陷阱，我們首先需要理解一些基本的原理。

手動 vs. 自動內存管理

1. 手動內存管理：在一些語言中，如C和C++，程序員需要顯式地分配和釋放內存。雖然這為專家提供了更大的靈活性，但也容易引發(fā)錯誤，如內存泄漏或雙重釋放。
2. 自動內存管理：Java選擇了自動管理內存的路徑，這意味著JVM會自動為新的對象分配內存，并在它們不再被引用時釋放內存。這大大降低了內存泄漏和其他相關錯誤的風險。

垃圾回收的角色與重要性

垃圾回收是Java內存管理的核心機制。其主要任務是識別不再被引用的對象，并安全地回收它們的內存。此外，它還可以幫助壓縮內存，將活動對象移動到連續(xù)的內存塊中，從而提高內存訪問速度。
簡而言之，垃圾回收的目的是確保Java應用程序能夠在有限的內存中有效、穩(wěn)定地運行，而不用擔心內存溢出或泄漏。
在接下來的章節(jié)中，我們將深入探討垃圾回收器是如何確定哪些對象可以被安全地回收的，以及它是如何利用不同的策略來最大化性能的。

垃圾回收的基本工作流程

了解Java內存管理的基本原理后，我們接下來將詳細探討垃圾回收的工作流程。

對象的生命周期

Java中的每個對象都經歷了創(chuàng)建、使用和最終被回收的過程。從對象實例化開始，它可能被程序的多個部分引用，直到最后一個引用消失，對象成為垃圾，等待回收。

分代回收思想

分代回收思想是現代Java垃圾回收器中的核心理念，它基于這樣一個觀察：大多數對象很快就變得不可訪問，而少數對象則可能存活很長時間。因此，將堆內存分為幾個不同的區(qū)域（或“代”）可以使垃圾回收更為高效。

1. 代的分類

• 年輕代（Young Generation）：新創(chuàng)建的對象首先被分配到這里。年輕代被進一步劃分為：
  • Eden區(qū)：新對象首先在這里被分配。
  • Survivor區(qū)：這里包含了從Eden區(qū)經過第一次GC后仍然存活的對象。
    • From區(qū)
    • To區(qū)
• 老年代（Old Generation）：長時間存活的對象最終會被移動到這里。
• 永久代（Permanent Generation）或Metaspace：用于存儲JVM的元數據、類靜態(tài)變量、方法區(qū)等。從Java 8開始，永久代被Metaspace替代，并不存在于堆空間中。

2. 為什么使用分代回收？

通過將對象基于其生命周期的預期長短分類，可以針對每個代使用最適合的GC策略：

• 在年輕代，對象的存活率相對較低，因此采用如標記-復制算法會更為高效。
• 老年代中的對象已經證明了自己的存活能力，所以此處的GC會比年輕代更加稀少，可以使用如標記-清除-整理算法進行處理。

3. 分代回收的優(yōu)勢

• 效率：由于每次不需要整堆收集，而只是針對某一代，所以可以大大提高GC的速度。
• 減少碎片化：特定的垃圾回收策略，如在老年代使用的標記-整理，可以確保內存使用得更為緊湊。
• 適應性：可以根據應用的運行時行為動態(tài)地調整GC策略，例如，如果年輕代中的對象存活率增加，可以調整其大小或更改回收策略。
  總之，分代回收思想是現代JVM優(yōu)化垃圾回收性能的關鍵。這種方法結合了多種垃圾回收策略，以實現在不同場景下的最優(yōu)性能。

分代回收機制演示

我們基于上面年輕代的劃分，畫一張圖：

我們知道，Eden存放的都是朝生夕死的對象，假如這個時候只有對象6存活，在一次GC后，它會被移動到From區(qū)中。你看：

緊接著對象不斷的創(chuàng)建，被存放于Eden區(qū)：

接著觸發(fā)了一次GC，存活對象被存放于To區(qū)：

存活對象每存活被挪動的過程中，引用計數的值都會+1，當值到達15時，將會被晉升到老年代中。

如何確定對象已“死亡”

主要的判斷依據是對象的可達性，也就是我們常說的GC Root。JVM從根對象（靜態(tài)變量、線程棧中的本地變量等）開始，通過引用鏈判斷哪些對象是可達的。不可達的對象被視為“死亡”并成為垃圾回收的候選對象。JVM中用了以下兩種算法來判斷對象是否存活：

0. 引用計數法

引用計數法就是在對象被引用時，計數加1；引用斷開時，計數減1。那么一個對象的引用計數為0時，說明這個對象可以被清除。這個算法的問題在于，如果A對象引用B的同時，B對象也引用A，即循環(huán)引用，那么雖然雙方的引用計數都不為0，但如果僅僅被對方引用實際上沒有存在的價值，應該被GC掉。如圖所示：

1. 可達性分析算法

它的核心思想是通過一系列的“根對象”作為起始點，來確定哪些對象是“可達”的，即應用仍可能使用的對象，與此相反，那些不可達的對象則可以被視為垃圾，可以被回收。
可達性算法通過引用計數法的缺陷可以看出，從被引用一方去判定其是否應該被清理過于片面，所以可以通過相反的方向去定位對象的存活價值：一個存活對象引用的所有對象都是不應該被清除的（Java中軟引用或弱引用在GC時有不同判定表現，不在此深究）。這些查找起點被稱為GC Root。

2. 三色標記法

顧名思義，它是用三種顏色來記錄對象的標記狀態(tài)；

• 黑色：已標記
• 灰色：標記中
• 白色：暫未標記
  為什么有這三種顏色呢？我們來看一張圖：
  
  觸發(fā)GC后，從根對象出發(fā)，沿途找到引用。最終引用路徑下全部被染色即為完成標記。
  
  白色部分即為被回收部分。

哪些對象可以作為查找起點GC Root呢？

1. JAVA虛擬機棧中的本地變量引用對象
2. 方法區(qū)中靜態(tài)變量引用的對象
3. 方法區(qū)中常量引用的對象
4. 本地方法棧中JNI引用的對象

垃圾回收的基本算法

為了有效地回收不再使用的對象，垃圾回收器需要一套系統(tǒng)性的方法來確定哪些對象是“活的”以及哪些是“死的”。下面我們將探討三種主要的垃圾回收算法：標記-清除、標記-整理和標記-復制。

1. 標記-清除 (Mark-Sweep)

這是最早期的垃圾回收算法。如圖所示：

• 標記：在此階段，從GC Root開始，所有可訪問的對象都被標記為“活的”。
• 清除：一旦所有活動對象都被標記，那么未標記的對象就被視為“死的”并被清除。

優(yōu)點：簡單、直觀。
缺點：可能會導致大量的內存碎片。

2. 標記-整理 (Mark-Compact)

此算法是對標記-清除的改進。如圖所示：

• 標記：與標記-清除相同，所有可訪問的對象都被標記為“活的”。
• 整理：不是簡單地清除死亡的對象，而是將所有活動的對象移向堆的一端。這樣，堆的另一端就完全由連續(xù)的空閑內存組成，從而消除了碎片化的問題。

優(yōu)點：避免了內存碎片化。
缺點：移動對象可能會增加額外的開銷。

3. 標記-復制 (Mark-Copy)

這是針對年輕代（Young Generation）的垃圾回收非常有效的算法。如圖所示：

• 標記：與之前的算法相似，所有可訪問的對象都被標記為“活的”。
• 復制：不是清除死亡的對象，活動對象會被復制到堆的另一部分。這通常在年輕代的兩個半區(qū)之間完成，一個用于當前分配，另一個用于垃圾回收。

優(yōu)點：簡單且高效，尤其適合于對象存活率低的場景。
缺點：需要雙倍的內存空間，可能會浪費一半的空間。

主流垃圾回收器介紹

為了滿足不同應用場景的需求，JVM提供了多種垃圾回收器。每種回收器都有其特點和使用場景。接下來，我們將深入了解幾種主流的垃圾回收器。

Serial GC

• 概述：Serial GC是單線程的垃圾回收器(垃圾回收線程工作時，停止用戶線程)，適用于單線程應用程序和小型應用。
• 工作原理：它使用標記-復制算法（年輕代）和標記-清除算法（老年代）。
• 特點：由于它是單線程的，所以回收過程會暫停所有用戶線程，這種現象通常被稱為"Stop-The-World"（STW）。

Parallel GC

• 概述：它是多線程的垃圾回收器（相比Serial GC只是垃圾回收線程變多而已），適用于吞吐量比較高的場景，一些計算場景并不在意停頓時間的長短。
• 工作原理：與Serial GC類似，但是Parallel GC在年輕代和老年代都使用多線程。
• 特點：雖然還存在STW現象，但由于多線程的使用，垃圾回收的時間通常更短。

CMS (Concurrent Mark-Sweep) GC

• 概述：適用于希望減少暫停時間的應用。(用戶和垃圾回收線程可以同時工作，當然還需要少量的STW用于清除浮動垃圾)
• 工作原理：顧名思義，并發(fā)標記清除，主要使用標記-清除算法。它的標記和清除階段的大部分工作都是與應用線程并發(fā)執(zhí)行的。
• 特點：雖然并發(fā)執(zhí)行可以減少暫停時間，但由于并沒有整理過程，會導致內存碎片化。

G1 GC

• 概述：適用于大型的堆和能更可預測的暫停時間的應用。從JDK9開始，它作為默認的垃圾回收器。
• 工作原理：它將堆分為多個區(qū)域（Reigon）并并發(fā)地標記、復制和清除這些區(qū)域。
• 特點：G1旨在限制垃圾回收的暫停時間，并提供高吞吐量。

ZGC (Z Garbage Collector)

• 概述：是一個可擴展的低延遲垃圾回收器。
• 工作原理：ZGC使用了讀屏障（Read Barrier）和并發(fā)壓縮技術。
• 特點：ZGC的目標是在任何堆大小下都能實現不到10毫秒的暫停時間，同時還能提供與其他垃圾回收器相似的吞吐量。

垃圾回收器的選擇與配置

選擇合適的垃圾回收器是Java應用性能調優(yōu)的關鍵環(huán)節(jié)之一。不同的垃圾回收器適合不同的場景，因此，了解每種垃圾回收器的特性和適用場景是非常重要的。此外，合適的JVM參數配置也是關鍵，它可以顯著地影響應用的性能和穩(wěn)定性。

如何選擇垃圾回收器

1. 響應時間要求：如果應用對延遲非常敏感，那么選擇如ZGC或CMS這樣的暫停時間短的垃圾回收器會更合適。
2. 吞吐量要求：高吞吐量的應用，如批處理作業(yè)或某些后端任務，可能更適合使用Parallel GC或G1 GC。
3. 內存資源：如果內存資源有限，Serial GC可能是一個好選擇。

停頓時間與響應時間

大多數垃圾回收器在執(zhí)行垃圾收集時需要暫停應用線程。這些停頓可能會影響應用的響應時間，特別是在對延遲敏感的應用中。例如，實時交易系統(tǒng)、高頻交易平臺等。

內存碎片化

隨著時間的推移，對象的創(chuàng)建和銷毀可能導致內存碎片化。碎片化可能會影響性能，因為垃圾回收器需要更多的時間來找到連續(xù)的內存塊。某些垃圾回收算法，如復制或整理，被設計出來用于減少碎片化。

常見的JVM參數與配置

1. 指定垃圾回收器：使用-XX:+UseSerialGC、-XX:+UseParallelGC、-XX:+UseConcMarkSweepGC、-XX:+UseG1GC或-XX:+UseZGC來選擇特定的垃圾回收器。
2. 堆大小：使用-Xms和-Xmx來設置堆的初始大小和最大大小。
3. 新生代大小：使用-Xmn來設置新生代的大小。
4. 詳細的GC日志：-Xlog:gc*可以啟用詳細的GC日志，這對于性能分析和問題診斷非常有用。
5. 一些其他的優(yōu)化參數：如-XX:SurvivorRatio、-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize等。

正確配置垃圾回收器和相關參數需要一定的經驗和多次的試驗。應始終在生產環(huán)境上運行之前，在模擬的環(huán)境中進行充分的測試和調優(yōu)。我列舉的參數也僅僅是冰山一角，更多參數建議大家查閱相關文檔。限于篇幅，我會在后續(xù)文章中詳細為你解析。

實際應用與案例分析

垃圾回收的理論和實際應用之間有時存在差距。為了提供更深入的理解，我們將討論一些實際的應用案例，并分享從中得到的經驗。

如何監(jiān)控垃圾回收行為

有效地監(jiān)控垃圾回收行為對于確保應用的性能和穩(wěn)定性至關重要。Java提供了幾種機制來實現這一點:

• GC日志: JVM可以配置為輸出GC日志，這些日志詳細記錄了垃圾回收的過程和結果。通過分析這些日志，開發(fā)者可以獲取關于內存使用情況、垃圾收集的頻率和持續(xù)時間等重要信息。
• 監(jiān)控工具: 工具如JVisualVM和JConsole不僅可以實時顯示JVM的性能指標，還提供了豐富的圖形界面，幫助開發(fā)者直觀地了解垃圾回收的行為。

診斷與解決常見的內存管理問題

盡管JVM提供了自動垃圾回收，但應用仍然可能遭受內存泄漏、過度分配或其他內存管理問題。診斷這些問題通常涉及以下步驟：

• 分析堆轉儲: 當應用使用過多的內存或出現內存泄漏時，開發(fā)者可以生成并分析堆轉儲。工具如MAT (Memory Analyzer Tool) 可以幫助識別內存中的大對象、對象引用鏈以及其他相關信息。
• 分析代碼: 使用分析器，如YourKit或JProfiler，可以幫助開發(fā)者定位可能導致內存問題的代碼部分。

實際的應用案例

收集中…

文中重要部分解析

并發(fā)漏標問題

更新中…

總結

Java的垃圾回收器在確保應用性能和穩(wěn)定性方面發(fā)揮了至關重要的作用。從手動管理到自動化管理，內存處理在計算機科學的發(fā)展過程中已經走過了漫長的道路。今天，通過JVM的自動垃圾回收機制，開發(fā)者可以集中精力編寫更高效的代碼，而不是手動管理內存。
通過我們的討論，我們了解到了垃圾回收的工作原理、常見的垃圾回收算法、以及如何選擇和配置合適的垃圾回收器。我們還探討了監(jiān)控、診斷和解決內存管理問題的方法。
但是，僅僅理解理論是不夠的。為了確保應用的最佳性能，開發(fā)者必須積極監(jiān)控其行為，定期分析性能數據，并在需要時進行調優(yōu)。
總的來說，垃圾回收是Java性能優(yōu)化中的一個重要領域。借助于現代的工具和技術，開發(fā)者可以有效地管理應用的內存使用，從而提供更好的用戶體驗。

參考文獻

1.《深入解析java虛擬機hotspot》
2.《揭秘Java虛擬機-JVM設計原理與實現》
3.《深入理解Java虛擬機：JVM高級特性與最佳實踐》
4. 黑馬程序員
5. 從原理聊JVM：染色標記和垃圾回收算法
6. JDK 17 營銷初體驗 —— 亞毫秒停頓 ZGC 落地實踐文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-706904.html

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