java垃圾回收机制

Java内存回收



目录
1 JAVA内存STACK和HEAP 1
1.1 STACK（栈） 1
1.2 HEAP（堆） 1
1.3 垃圾回收栈和堆 1
1.4 静态与非静态 2
2 JAVA内存回收 3
2.1 JAVA垃圾回收简介 3
2.2 引用计数收集器 3
2.3 跟踪收集器 3
2.4 一些常用的垃圾收集器 4
2.5 一些常用的垃圾收集器 5
2.6 垃圾回收器的特点 5
3 JAVA分代垃圾回收策略 6
3.1 为什么要分代 6
3.2 怎样分代 7


1 Java内存Stack和Heap
一般，JVM的内存主要分为两部分：Stack和Heap。
1.1 Stack（栈）
Stack（栈）是JVM的内存指令区。Stack管理很简单，push一定长度字节的数据或者指令，Stack指针压栈相应的字节位移；pop一定字节长度数据或者指令，Stack指针弹栈。Stack的速度很快，管理很简单，并且每次操作的数据或者指令字节长度是已知的。所以Java 基本数据类型，Java 指令代码，常量都保存在Stack中。
1.2 Heap（堆）
Heap（堆）是JVM的内存数据区。Heap 的管理很复杂，每次分配不定长的内存空间，专门用来保存对象的实例。在Heap 中分配一定的内存来保存对象实例，实际上也只是保存对象实例的属性值，属性的类型和对象本身的类型标记等，并不保存对象的方法（方法是指令，保存在 Stack中）,在Heap 中分配一定的内存保存对象实例和对象的序列化比较类似。而对象实例在Heap 中分配好以后，需要在Stack中保存一个4字节的Heap 内存地址，用来定位该对象实例在Heap 中的位置，便于找到该对象实例。
1.3 垃圾回收栈和堆
由于Stack的内存管理是顺序分配的，而且定长，不存在内存回收问题；而Heap 则是随机分配内存，不定长度，存在内存分配和回收的问题； 因此在JVM中另有一个GC进程，定期扫描Heap ，它根据Stack中保存的4字节对象地址扫描Heap ，定位Heap 中这些对象，进行一些优化（例如合并空闲内存块什么的），并且假设Heap 中没有扫描到的区域都是空闲的，统统refresh（实际上是把Stack中丢失了对象地址的无用对象清除了），这就是垃圾收集的过程



我们首先要搞清楚的是什么是数据以及什么是指令。然后要搞清楚对象的方法和对象的属性分别保存在哪里。
　　1）方法本身是指令的操作码部分，保存在Stack中；
　　2）方法内部变量作为指令的操作数部分，跟在指令的操作码之后，保存在Stack中（实际上是简单类型保存在Stack中，对象类型在Stack中保存地址，在Heap 中保存值）；上述的指令操作码和指令操作数构成了完整的Java 指令。
　　3）对象实例包括其属性值作为数据，保存在数据区Heap 中。
　　非静态的对象属性作为对象实例的一部分保存在Heap 中，而对象实例必须通过Stack中保存的地址指针才能访问到。因此能否访问到对象实例以及它的非静态属性值完全取决于能否获得对象实例在Stack中的地址指针。
1.4 静态与非静态
非静态方法和静态方法的区别：
　　非静态方法有一个和静态方法很重大的不同：非静态方法有一个隐含的传入参数，该参数是JVM给它的，和我们怎么写代码无关，这个隐含的参数就是 对象实例在Stack中的地址指针。因此非静态方法（在Stack中的指令代码）总是可以找到自己的专用数据（在Heap 中的对象属性值）。当然非静态方法也必须获得该隐含参数，因此非静态方法在调用前，必须先new一个对象实例，获得Stack中的地址指针，否则JVM将 无法将隐含参数传给非静态方法。
　　静态方法无此隐含参数，因此也不需要new对象，只要class文件被ClassLoader load进入JVM的Stack，该静态方法即可被调用。当然此时静态方法是存取不到Heap 中的对象属性的。
　　总结一下该过程：当一个class文件被ClassLoader load进入JVM后，方法指令保存在Stack中，此时Heap 区没有数据。然后程序技术器开始执行指令，如果是静态方法，直接依次执行指令代码，当然此时指令代码是不能访问Heap 数据区的；如果是非静态方法，由于隐含参数没有值，会报错。因此在非静态方法执行前，要先new对象，在Heap 中分配数据，并把Stack中的地址指针交给非静态方法，这样程序技术器依次执行指令，而指令代码此时能够访问到Heap 数据区了。
　　静态属性和动态属性：
　　前面提到对象实例以及动态属性都是保存在Heap 中的，而Heap 必须通过Stack中的地址指针才能够被指令（类的方法）访问到。因此可以推断出：静态属性是保存在Stack中的，而不同于动态属性保存在Heap 中。正因为都是在Stack中，而Stack中指令和数据都是定长的，因此很容易算出偏移量，也因此不管什么指令（类的方法），都可以访问到类的静态属 性。也正因为静态属性被保存在Stack中，所以具有了全局属性。
　　在JVM中，静态属性保存在Stack指令内存区，动态属性保存在Heap数据内存区。
2 Java内存回收
2.1 Java垃圾回收简介
垃圾收集GC（Garbage Collection）是Java语言的核心技术之一，Java 7新增的垃圾回收器G1的新特性，但在JVM的内部运行机制上看，Java的垃圾回收原理与机制并未改变。垃圾收集的目的在于清除不再使用的对象。GC通过确定对象是否被活动对象引用来确定是否收集该对象。GC首先要判断该对象是否是时候可以收集。两种常用的方法是引用计数和对象引用遍历。。
2.2 引用计数收集器
引用计数是垃圾收集器中的早期策略。在这种方法中，堆中每个对象（不是引用）都有一个引用计数。当一个对象被创建时，且将该对象分配给一个变量，该 变量计数设置为1。当任何其它变量被赋值为这个对象的引用时，计数加1（a = b,则b引用的对象+1），但当一个对象的某个引用超过了生命周期或者被设置为一个新值时，对象的引用计数减1。任何引用计数为0的对象可以被当作垃圾收 集。当一个对象被垃圾收集时，它引用的任何对象计数减1。
优点：引用计数收集器可以很快的执行，交织在程序运行中。对程序不被长时间打断的实时环境比较有利。
缺点： 无法检测出循环引用。如父对象有一个对子对象的引用，子对象反过来引用父对象。这样，他们的引用计数永远不可能为0.

2.3 跟踪收集器
早期的JVM使用引用计数，现在大多数JVM采用对象引用遍历。对象引用遍历从一组对象开始，沿着整个对象图上的每条链接，递归确定可到达 （reachable）的对象。如果某对象不能从这些根对象的一个（至少一个）到达，则将它作为垃圾收集。在对象遍历阶段，GC必须记住哪些对象可以到 达，以便删除不可到达的对象，这称为标记（marking）对象。
下一步，GC要删除不可到达的对象。删除时，有些GC只是简单的扫描堆栈，删除未标记的未标记的对象，并释放它们的内存以生成新的对象，这叫做清除 （sweeping）。这种方法的问题在于内存会分成好多小段，而它们不足以用于新的对象，但是组合起来却很大。因此，许多GC可以重新组织内存中的对 象，并进行压缩（compact），形成可利用的空间。
为此，GC需要停止其他的活动活动。这种方法意味着所有与应用程序相关的工作停止，只有GC运行。结果，在响应期间增减了许多混杂请求。另外，更复杂的 GC不断增加或同时运行以减少或者清除应用程序的中断。有的GC使用单线程完成这项工作，有的则采用多线程以增加效率。
2.4 一些常用的垃圾收集器
标记－清除收集器

这种收集器首先遍历对象图并标记可到达的对象，然后扫描堆栈以寻找未标记对象并释放它们的内存。这种收集器一般使用单线程工作并停止其他操作。并且，由于它只是清除了那些未标记的对象，而并没有对标记对象进行压缩，导致会产生大量内存碎片，从而浪费内存。

◆标记－压缩收集器

有时也叫标记－清除－压缩收集器，与标记－清除收集器有相同的标记阶段。在第二阶段，则把标记对象复制到堆栈的新域中以便压缩堆栈。这种收集器也停止其他操作。
复制收集器

这种收集器将堆栈分为两个域，常称为半空间。每次仅使用一半的空间，JVM生成的新对象则放在另一半空间中。GC运行时，它把可到达对象复制到另一半空 间，从而压缩了堆栈。这种方法适用于短生存期的对象，持续复制长生存期的对象则导致效率降低。并且对于指定大小堆来说，需要两倍大小的内存，因为任何时候 都只使用其中的一半。
增量收集器

增量收集器把堆栈分为多个域，每次仅从一个域收集垃圾，也可理解为把堆栈分成一小块一小块，每次仅对某一个块进行垃圾收集。这会造成较小的应用程序中断时间，使得用户一般不能觉察到垃圾收集器正在工作。
分代收集器
  
复制收集器的缺点是：每次收集时，所有的标记对象都要被拷贝，从而导致一些生命周期很长的对象被来回拷贝多次，消耗大量的时间。而分代收集器则可解决这个 问题，分代收集器把堆栈分为两个或多个域，用以存放不同寿命的对象。JVM生成的新对象一般放在其中的某个域中。过一段时间，继续存在的对象(非短命对 象)将获得使用期并转入更长寿命的域中。分代收集器对不同的域使用不同的算法以优化性能。
并行收集器

并行收集器使用某种传统的算法并使用多线程并行的执行它们的工作。在多CPU机器上使用多线程技术可以显著的提高java应用程序的可扩展性。
2.5 一些常用的垃圾收集器

◆每个对象只能调用finalize(   )方法一次。如果在finalize(   )方法执行时产生异常（exception），则该对象仍可以被垃圾收集器收集。

◆垃圾收集器跟踪每一个对象，收集那些不可触及的对象（即该对象不再被程序引用 了），回收其占有的内存空间。但在进行垃圾收集的时候，垃圾收集器会调用该对象的finalize(   )方法（如果有）。如果在finalize()方法中，又使得该对象被程序引用(俗称复活了)，则该对象就变成了可触及的对象，暂时不会被垃圾收集了。但 是由于每个对象只能调用一次finalize(   )方法，所以每个对象也只可能 "复活 "一次。

◆Java语言允许程序员为任何方法添加finalize(   )方法，该方法会在垃圾收集器交换回收对象之前被调用。但不要过分依赖该方法对系统资源进行回收和再利用，因为该方法调用后的执行结果是不可预知的。

◆垃圾收集器不可以被强制执行，但程序员可以通过调研System.gc方法来建议执行垃圾收集。记住，只是建议。一般不建议自己写System.gc，因为会加大垃圾收集工作量。

2.6 垃圾回收器的特点
1.自动性。Java技术提供了一个系统级的线程，即垃圾收集器线程，来跟踪每一块分配出去的内存空间，当Java 虚拟机处于空闲循环时，垃圾收集器线程会自动检查每一块分配出去的内存空间，然后自动回收每一块可以回收的无用的内存块。
2．  不可预期性。一个对象成为了垃圾，但是你不能断言，该对象在这行以后就立刻被清除，甚至有可能当程序结束后，该对象仍然占用内存。像Windows这样的软件常常会出现内存不足的情况，JAVA程序很少出现就是因为可以自动回收内存。然而，因为JAVA也不能保证及时地清除无用的对象，所以JAVA程序也会出现内存不足的情况，只是这种情况很少出现。垃圾收集线程在一个Java程序中的执行是自动的，不能强制执行，即使程序员能明确地判断出有一块内存已经无用了，是应该回收的，程序员也不能强制垃圾收集器回收该内存块。程序员唯一能做的就是通过调用System.gc 方法来"建议"执行垃圾收集器，但其是否可以执行，什么时候执行却都是不可知的。
3. JAVA垃圾回收机制另一个特点是，进行垃圾回收的线程是一种低优先级的线程，在一个Java程序的生命周期中，它只有在内存空闲的时候才有机会运行。
3 Java分代垃圾回收策略
由于不同对象的生命周期不一样，因此在JVM的垃圾回收策略中有分代这一策略。
3.1 为什么要分代
Java的垃圾回收器要负责完成3件任务：分配内存、确保被引用的对象的内存不被错误回收以及回收不再被引用的对象的内存空间。垃圾回收是一个复杂而且耗 时的操作。如果JVM花费过多的时间在垃圾回收上，则势必会影响应用的运行性能。一般情况下，当垃圾回收器在进行回收操作的时候，整个应用的执行是被暂时 中止（stop-the-world）的。这是因为垃圾回收器需要更新应用中所有对象引用的实际内存地址。不同的硬件平台所能支持的垃圾回收方式也不同。 比如在多CPU的平台上，就可以通过并行的方式来回收垃圾。而单CPU平台则只能串行进行。不同的应用所期望的垃圾回收方式也会有所不同。服务器端应用可 能希望在应用的整个运行时间中，花在垃圾回收上的时间总数越小越好。而对于与用户交互的应用来说，则可能希望所垃圾回收所带来的应用停顿的时间间隔越小越 好。对于这种情况，JVM中提供了多种垃圾回收方法以及对应的性能调优参数，应用可以根据需要来进行定制。
Java 垃圾回收机制最基本的做法是分代回收。分代的垃圾回收策略，是基于这样一个事实：不同的对象的生命周期是不一样的。因此，不同生命周期的对象可以采取不同的收集方式，以便提高回收效率。
在Java程序运行的过程中，会产生大量的对象，其中有些对象是与业务信息相关，比如Http请求中的Session对象、线程、Socket连 接，这类对象跟业务直接挂钩，因此生命周期比较长。但是还有一些对象，主要是程序运行过程中生成的临时变量，这些对象生命周期会比较短，比 如：String对象，由于其不变类的特性，系统会产生大量的这些对象，有些对象甚至只用一次即可回收。
试想，在不进行对象存活时间区分的情况下，每次垃圾回收都是对整个堆空间进行回收，花费时间相对会长，同时，因为每次回收都需要遍历所有存活对象， 但实际上，对于生命周期长的对象而言，这种遍历是没有效果的，因为可能进行了很多次遍历，但是他们依旧存在。因此，分代垃圾回收采用分治的思想，进行代的 划分，把不同生命周期的对象放在不同代上，不同代上采用最适合它的垃圾回收方式进行回收。
3.2 怎样分代
虚拟机中的共划分为三个代：年轻代（Young Generation）、年老代（Old Generation）和持久代（Permanent Generation）。其中持久代主要存放的是Java类的类信息，与垃圾收集要收集的Java对象关系不大。年轻代和年老代的划分是对垃圾收集影响比 较大的。
年轻代:
年轻世代的内存区域被进一步划分成伊甸园（Eden）和两个存活区（survivor space）。伊甸园是进行内存分配的地方，是一块连续的空闲内存区域。在上面进行内存分配速度非常快，因为不需要进行可用内存块的查找。两个存活区中始 终有一个是空白的。在进行垃圾回收的时候，伊甸园和其中一个非空存活区中还存活的对象根据其存活时间被复制到当前空白的存活区或年老世代中。经过这一次的 复制之后，之前非空的存活区中包含了当前还存活的对象，而伊甸园和另一个存活区中的内容已经不再需要了，只需要简单地把这两个区域清空即可。下一次垃圾回 收的时候，这两个存活区的角色就发生了交换。一般来说，年轻世代区域较小，而且大部分对象都已经不再存活，因此在其中查找存活对象的效率较高。
年老代:
在年轻代中经历了N次垃圾回收后仍然存活的对象，就会被放到年老代中。因此，可以认为年老代中存放的都是一些生命周期较长的对象。而对于年老和永久世代的内存区域，则采用的是不同的回收算法，称为“标记-清除-压缩（Mark-Sweep-Compact）”。标记的过程是找出当前还存活的对象，并进行标记；清除则遍历整个内存区域，找出其中需要进行回收的区域；而压缩则把存活对象的内存移动到整个内存区域的一端，使得另一端是一块连续的空闲区域，方便进行内存分配和复制。
持久代:
用于存放静态文件，如今Java类、方法等。持久代对垃圾回收没有显著影响，但是有些应用可能动态生成或者调用一些class，例如 Hibernate等，在这种时候需要设置一个比较大的持久代空间来存放这些运行过程中新增的类。持久代大小通过-XX:MaxPermSize=& lt;N>进行设置。
什么情况下触发垃圾回收
由于对象进行了分代处理，因此垃圾回收区域、时间也不一样。GC有两种类型：Scavenge GC和Full GC。
Scavenge GC
一般情况下，当新对象生成，并且在Eden申请空间失败时，就会触发Scavenge GC，对Eden区域进行GC，清除非存活对象，并且把尚且存活的对象移动到Survivor区。然后整理Survivor的两个区。这种方式的GC是对 年轻代的Eden区进行，不会影响到年老代。因为大部分对象都是从Eden区开始的，同时Eden区不会分配的很大，所以Eden区的GC会频繁进行。因 而，一般在这里需要使用速度快、效率高的算法，使Eden去能尽快空闲出来。
对整个堆进行整理，包括Young、Tenured和Perm。Full GC因为需要对整个块进行回收，所以比Scavenge GC要慢，因此应该尽可能减少Full GC的次数。在对JVM调优的过程中，很大一部分工作就是对于FullGC的调节。有如下原因可能导致Full GC：

• 年老代（Tenured）被写满
• 持久代（Perm）被写满
• System.gc()被显示调用
•上一次GC之后Heap的各域分配策略动态变化

JDK 5中提供了4种不同的垃圾回收机制。最常用的是串行回收方式，即使用单个CPU回收年轻和年老世代的内存。在回收的过程中，应用程序被暂时中止。回收方式 使用的是上面提到的最基本的分代回收。串行回收方式适合于一般的单CPU桌面平台。如果是多CPU的平台，则适合的是并行回收方式。这种方式在对年轻世代 进行回收的时候，会使用多个CPU来并行处理，可以提升回收的性能。并发标记-清除回收方式适合于对应用的响应时间要求比较 高的情况，即需要减少垃圾回收所带来的应用暂时中止的时间。这种做法的优点在于可以在应用运行的同时标记存活对象与回收垃圾，而只需要暂时中止应用比较短 的时间。
通过JDK中提供的JConsole可以很容易的查看当前应用的内存使用情况。在JVM启动的时候添加参数 -verbose:gc 可以查看垃圾回收器的运行结果。