全面分析Java的垃圾回收機制

2019-11-18 15:41:47

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引言

　　java的堆是一個運行時數據區，類的實例(對象)從中分配空間。Java虛擬機(JVM)的堆中儲存著正在運行的應用程序所建立的所有對象，這些對象通過new、newarray、anewarray和multianewarray等指令建立，但是它們不需要程序代碼來顯式地釋放。

一般來說，堆的是由垃圾回收來負責的，盡管JVM規范并不要求非凡的垃圾回收技術，甚至根本就不需要垃圾回收，但是由于內存的有限性，JVM在實現的時候都有一個由垃圾回收所治理的堆。垃圾回收是一種動態存儲治理技術，它自動地釋放不再被程序引用的對象，按照特定的垃圾收集算法來實現資源自動回收的功能。

　　垃圾收集的意義

　　在C++中，對象所占的內存在程序結束運行之前一直被占用，在明確釋放之前不能分配給其它對象；而在Java中，當沒有對象引用指向原先分配給某個對象的內存時，該內存便成為垃圾。JVM的一個系統級線程會自動釋放該內存塊。垃圾收集意味著程序不再需要的對象是"無用信息"，這些信息將被丟棄。當一個對象不再被引用的時候，內存回收它占領的空間，以便空間被后來的新對象使用。事實上，除了釋放沒用的對象，垃圾收集也可以清除內存記錄碎片。由于創建對象和垃圾收集器釋放丟棄對象所占的內存空間，內存會出現碎片。碎片是分配給對象的內存塊之間的空閑內存洞。碎片整理將所占用的堆內存移到堆的一端，JVM將整理出的內存分配給新的對象。

　　垃圾收集能自動釋放內存空間，減輕編程的負擔。這使Java 虛擬機具有一些優點。首先，它能使編程效率提高。在沒有垃圾收集機制的時候，可能要花許多時間來解決一個難懂的存儲器問題。在用Java語言編程的時候，靠垃圾收集機制可大大縮短時間。其次是它保護程序的完整性，垃圾收集是Java語言安全性策略的一個重要部份。

　　垃圾收集的一個潛在的缺點是它的開銷影響程序性能。Java虛擬機必須追蹤運行程序中有用的對象，而且最終釋放沒用的對象。這一個過程需要花費處理器的時間。其次垃圾收集算法的不完備性，早先采用的某些垃圾收集算法就不能保證100%收集到所有的廢棄內存。當然隨著垃圾收集算法的不斷改進以及軟硬件運行效率的不斷提升，這些問題都可以迎刃而解。

　　垃圾收集的算法分析

　　Java語言規范沒有明確地說明JVM使用哪種垃圾回收算法，但是任何一種垃圾收集算法一般要做2件基本的事情：（1）發現無用信息對象；（2）回收被無用對象占用的內存空間，使該空間可被程序再次使用。

　　大多數垃圾回收算法使用了根集(root set)這個概念；所謂根集就量正在執行的Java程序可以訪問的引用變量的集合(包括局部變量、參數、類變量)，程序可以使用引用變量訪問對象的屬性和調用對象的方法。垃圾收集首選需要確定從根開始哪些是可達的和哪些是不可達的，從根集可達的對象都是活動對象，它們不能作為垃圾被回收，這也包括從根集間接可達的對象。而根集通過任意路徑不可達的對象符合垃圾收集的條件，應該被回收。下面介紹幾個常用的算法。

　　1、引用計數法(Reference Counting Collector)

　　引用計數法是唯一沒有使用根集的垃圾回收的法，該算法使用引用計數器來區分存活對象和不再使用的對象。一般來說，堆中的每個對象對應一個引用計數器。當每一次創建一個對象并賦給一個變量時，引用計數器置為1。當對象被賦給任意變量時，引用計數器每次加1當對象出了作用域后(該對象丟棄不再使用)，引用計數器減1，一旦引用計數器為0，對象就滿足了垃圾收集的條件。

　　基于引用計數器的垃圾收集器運行較快，不會長時間中斷程序執行，適宜地必須實時運行的程序。但引用計數器增加了程序執行的開銷，因為每次對象賦給新的變量，計數器加1，而每次現有對象出了作用域生，計數器減1。

　　2、tracing算法(Tracing Collector)

　　tracing算法是為了解決引用計數法的問題而提出，它使用了根集的概念?；趖racing算法的垃圾收集器從根集開始掃描，識別出哪些對象可達，哪些對象不可達，并用某種方式標記可達對象，例如對每個可達對象設置一個或多個位。在掃描識別過程中，基于tracing算法的垃圾收集也稱為標記和清除(mark-and-sweep)垃圾收集器.

　　3、compacting算法(Compacting Collector)

　　為了解決堆碎片問題，基于tracing的垃圾回收吸收了Compacting算法的思想，在清除的過程中，算法將所有的對象移到堆的一端，堆的另一端就變成了一個相鄰的空閑內存區，收集器會對它移動的所有對象的所有引用進行更新，使得這些引用在新的位置能識別原來的對象。在基于Compacting算法的收集器的實現中，一般增加句柄和句柄表。　　

　　4、copying算法(Coping Collector)

　　該算法的提出是為了克服句柄的開銷和解決堆碎片的垃圾回收。它開始時把堆分成一個對象面和多個空閑面，程序從對象面為對象分配空間，當對象滿了，基于coping算法的垃圾收集就從根集中掃描活動對象，并將每個活動對象復制到空閑面(使得活動對象所占的內存之間沒有空閑洞)，這樣空閑面變成了對象面，原來的對象面變成了空閑面，程序會在新的對象面中分配內存。

　　一種典型的基于coping算法的垃圾回收是stop-and-copy算法，它將堆分成對象面和空閑區域面，在對象面與空閑區域面的切換過程中，程序暫停執行。

　　5、generation算法(Generational Collector)

　　stop-and-copy垃圾收集器的一個缺陷是收集器必須復制所有的活動對象，這增加了程序等待時間，這是coping算法低效的原因。在程序設計中有這樣的規律：多數對象存在的時間比較短，少數的存在時間比較長。因此，generation算法將堆分成兩個或多個，每個子堆作為對象的一代(generation)。由于多數對象存在的時間比較短，隨著程序丟棄不使用的對象，垃圾收集器將從最年輕的子堆中收集這些對象。在分代式的垃圾收集器運行后，上次運行存活下來的對象移到下一最高代的子堆中，由于老一代的子堆不會經常被回收，因而節省了時間。

　　6、adaptive算法(Adaptive Collector)

　　在特定的情況下，一些垃圾收集算法會優于其它算法?；贏daptive算法的垃圾收集器就是監控當前堆的使用情況，并將選擇適當算法的垃圾收集器。

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