JVM | 垃圾回收器（GC）- Java内存管理的守护者

引言

在编程世界中，有效的内存管理是至关重要的。这不仅确保了应用程序的稳定运行，还可以大大提高性能和响应速度。作为世界上最受欢迎的编程语言之一，通过Java虚拟机内部的垃圾回收器组件来自动管理内存，是成为之一的其中一项必不可少的技术点。

为何需要垃圾回收

在许多传统的编程语言中，如C和C++，开发者需要手动管理内存。这意味着他们负责分配内存给新的对象，并在这些对象不再需要时释放这些内存。这种手动管理内存的过程非常容易出错，往往会导致内存泄漏或访问无效的内存地址，进而导致应用程序崩溃。

与此相反，Java选择了一种不同的方法。在Java中，内存管理是自动的，通过垃圾回收器实现。当对象不再被使用时，GC将自动识别并释放它们占用的内存，这样程序员就不必担心内存泄漏或无效内存访问。

垃圾回收器在执行引擎中的角色

在上一篇文章中，我们介绍了垃圾回收器，它是Java虚拟机执行引擎的核心组件之一。执行引擎负责执行Java字节码，并涵盖了包括字节码解释器、JIT编译器等在内的多个组件。垃圾回收器则专注于自动管理内存，确保及时回收不再使用的对象，防止内存泄漏，并提高内存使用效率。这种内存管理对于保障Java程序的稳定和高效运行至关重要。

内存管理的基本原理

内存管理是任何计算机程序运行的基础。无论是一个简单的脚本还是一个复杂的分布式系统，内存管理都是核心组件。在Java中，内存管理变得相对简单，主要得益于其自动化的垃圾回收系统。但是，要完全利用它的优势并避免常见的陷阱，我们首先需要理解一些基本的原理。

手动 vs. 自动内存管理

1. 手动内存管理：在一些语言中，如C和C++，程序员需要显式地分配和释放内存。虽然这为专家提供了更大的灵活性，但也容易引发错误，如内存泄漏或双重释放。
2. 自动内存管理：Java选择了自动管理内存的路径，这意味着JVM会自动为新的对象分配内存，并在它们不再被引用时释放内存。这大大降低了内存泄漏和其他相关错误的风险。

垃圾回收的角色与重要性

垃圾回收是Java内存管理的核心机制。其主要任务是识别不再被引用的对象，并安全地回收它们的内存。此外，它还可以帮助压缩内存，将活动对象移动到连续的内存块中，从而提高内存访问速度。

简而言之，垃圾回收的目的是确保Java应用程序能够在有限的内存中有效、稳定地运行，而不用担心内存溢出或泄漏。

在接下来的章节中，我们将深入探讨垃圾回收器是如何确定哪些对象可以被安全地回收的，以及它是如何利用不同的策略来最大化性能的。

垃圾回收的基本工作流程

了解Java内存管理的基本原理后，我们接下来将详细探讨垃圾回收的工作流程。

对象的生命周期

Java中的每个对象都经历了创建、使用和最终被回收的过程。从对象实例化开始，它可能被程序的多个部分引用，直到最后一个引用消失，对象成为垃圾，等待回收。

分代回收思想

分代回收思想是现代Java垃圾回收器中的核心理念，它基于这样一个观察：大多数对象很快就变得不可访问，而少数对象则可能存活很长时间。因此，将堆内存分为几个不同的区域（或“代”）可以使垃圾回收更为高效。

1. 代的分类

• 年轻代（Young Generation）：新创建的对象首先被分配到这里。年轻代被进一步划分为：
  • Eden区：新对象首先在这里被分配。
  • Survivor区：这里包含了从Eden区经过第一次GC后仍然存活的对象。 - From区 - To区
• 老年代（Old Generation）：长时间存活的对象最终会被移动到这里。
• 永久代（Permanent Generation）或Metaspace：用于存储JVM的元数据、类静态变量、方法区等。从Java 8开始，永久代被Metaspace替代，并不存在于堆空间中。

2. 为什么使用分代回收？

通过将对象基于其生命周期的预期长短分类，可以针对每个代使用最适合的GC策略：

• 在年轻代，对象的存活率相对较低，因此采用如标记-复制算法会更为高效。
• 老年代中的对象已经证明了自己的存活能力，所以此处的GC会比年轻代更加稀少，可以使用如标记-清除-整理算法进行处理。

3. 分代回收的优势

• 效率：由于每次不需要整堆收集，而只是针对某一代，所以可以大大提高GC的速度。
• 减少碎片化：特定的垃圾回收策略，如在老年代使用的标记-整理，可以确保内存使用得更为紧凑。
• 适应性：可以根据应用的运行时行为动态地调整GC策略，例如，如果年轻代中的对象存活率增加，可以调整其大小或更改回收策略。 总之，分代回收思想是现代JVM优化垃圾回收性能的关键。这种方法结合了多种垃圾回收策略，以实现在不同场景下的最优性能。

分代回收机制演示

我们基于上面年轻代的划分，画一张图：

我们知道，Eden存放的都是朝生夕死的对象，假如这个时候只有对象6存活，在一次GC后，它会被移动到From区中。你看：

紧接着对象不断的创建，被存放于Eden区：

接着触发了一次GC，存活对象被存放于To区：

存活对象每存活被挪动的过程中，引用计数的值都会+1，当值到达15时，将会被晋升到老年代中。

如何确定对象已“死亡”

主要的判断依据是对象的可达性，也就是我们常说的GC Root。JVM从根对象（静态变量、线程栈中的本地变量等）开始，通过引用链判断哪些对象是可达的。不可达的对象被视为“死亡”并成为垃圾回收的候选对象。JVM中用了以下两种算法来判断对象是否存活：

0. 引用计数法

引用计数法就是在对象被引用时，计数加1；引用断开时，计数减1。那么一个对象的引用计数为0时，说明这个对象可以被清除。这个算法的问题在于，如果A对象引用B的同时，B对象也引用A，即循环引用，那么虽然双方的引用计数都不为0，但如果仅仅被对方引用实际上没有存在的价值，应该被GC掉。如图所示：

1. 可达性分析算法

它的核心思想是通过一系列的“根对象”作为起始点，来确定哪些对象是“可达”的，即应用仍可能使用的对象，与此相反，那些不可达的对象则可以被视为垃圾，可以被回收。

可达性算法通过引用计数法的缺陷可以看出，从被引用一方去判定其是否应该被清理过于片面，所以可以通过相反的方向去定位对象的存活价值：一个存活对象引用的所有对象都是不应该被清除的（Java中软引用或弱引用在GC时有不同判定表现，不在此深究）。这些查找起点被称为GC Root。

2. 三色标记法

顾名思义，它是用三种颜色来记录对象的标记状态；

• 黑色：已标记
• 灰色：标记中
• 白色：暂未标记 为什么有这三种颜色呢？我们来看一张图：

触发GC后，从根对象出发，沿途找到引用。最终引用路径下全部被染色即为完成标记。

白色部分即为被回收部分。

哪些对象可以作为查找起点GC Root呢？

1. JAVA虚拟机栈中的本地变量引用对象
2. 方法区中静态变量引用的对象
3. 方法区中常量引用的对象
4. 本地方法栈中JNI引用的对象

垃圾回收的基本算法

为了有效地回收不再使用的对象，垃圾回收器需要一套系统性的方法来确定哪些对象是“活的”以及哪些是“死的”。下面我们将探讨三种主要的垃圾回收算法：标记-清除、标记-整理和标记-复制。

1. 标记-清除 (Mark-Sweep)

这是最早期的垃圾回收算法。如图所示：

• 标记：在此阶段，从GC Root开始，所有可访问的对象都被标记为“活的”。
• 清除：一旦所有活动对象都被标记，那么未标记的对象就被视为“死的”并被清除。

优点：简单、直观。

缺点：可能会导致大量的内存碎片。

2. 标记-整理 (Mark-Compact)

此算法是对标记-清除的改进。如图所示：

• 标记：与标记-清除相同，所有可访问的对象都被标记为“活的”。
• 整理：不是简单地清除死亡的对象，而是将所有活动的对象移向堆的一端。这样，堆的另一端就完全由连续的空闲内存组成，从而消除了碎片化的问题。

优点：避免了内存碎片化。

缺点：移动对象可能会增加额外的开销。

3. 标记-复制 (Mark-Copy)

这是针对年轻代（Young Generation）的垃圾回收非常有效的算法。如图所示：

• 标记：与之前的算法相似，所有可访问的对象都被标记为“活的”。
• 复制：不是清除死亡的对象，活动对象会被复制到堆的另一部分。这通常在年轻代的两个半区之间完成，一个用于当前分配，另一个用于垃圾回收。

优点：简单且高效，尤其适合于对象存活率低的场景。

缺点：需要双倍的内存空间，可能会浪费一半的空间。

主流垃圾回收器介绍

为了满足不同应用场景的需求，JVM提供了多种垃圾回收器。每种回收器都有其特点和使用场景。接下来，我们将深入了解几种主流的垃圾回收器。

Serial GC

• 概述：Serial GC是单线程的垃圾回收器(垃圾回收线程工作时，停止用户线程)，适用于单线程应用程序和小型应用。
• 工作原理：它使用标记-复制算法（年轻代）和标记-清除算法（老年代）。
• 特点：由于它是单线程的，所以回收过程会暂停所有用户线程，这种现象通常被称为"Stop-The-World"（STW）。

Parallel GC

• 概述：它是多线程的垃圾回收器（相比Serial GC只是垃圾回收线程变多而已），适用于吞吐量比较高的场景，一些计算场景并不在意停顿时间的长短。
• 工作原理：与Serial GC类似，但是Parallel GC在年轻代和老年代都使用多线程。
• 特点：虽然还存在STW现象，但由于多线程的使用，垃圾回收的时间通常更短。

CMS (Concurrent Mark-Sweep) GC

• 概述：适用于希望减少暂停时间的应用。(用户和垃圾回收线程可以同时工作，当然还需要少量的STW用于清除浮动垃圾)
• 工作原理：顾名思义，并发标记清除，主要使用标记-清除算法。它的标记和清除阶段的大部分工作都是与应用线程并发执行的。
• 特点：虽然并发执行可以减少暂停时间，但由于并没有整理过程，会导致内存碎片化。

G1 GC

• 概述：适用于大型的堆和能更可预测的暂停时间的应用。从JDK9开始，它作为默认的垃圾回收器。
• 工作原理：它将堆分为多个区域（Reigon）并并发地标记、复制和清除这些区域。
• 特点：G1旨在限制垃圾回收的暂停时间，并提供高吞吐量。

ZGC (Z Garbage Collector)

• 概述：是一个可扩展的低延迟垃圾回收器。
• 工作原理：ZGC使用了读屏障（Read Barrier）和并发压缩技术。
• 特点：ZGC的目标是在任何堆大小下都能实现不到10毫秒的暂停时间，同时还能提供与其他垃圾回收器相似的吞吐量。

垃圾回收器的选择与配置

选择合适的垃圾回收器是Java应用性能调优的关键环节之一。不同的垃圾回收器适合不同的场景，因此，了解每种垃圾回收器的特性和适用场景是非常重要的。此外，合适的JVM参数配置也是关键，它可以显著地影响应用的性能和稳定性。

如何选择垃圾回收器

1. 响应时间要求：如果应用对延迟非常敏感，那么选择如ZGC或CMS这样的暂停时间短的垃圾回收器会更合适。
2. 吞吐量要求：高吞吐量的应用，如批处理作业或某些后端任务，可能更适合使用Parallel GC或G1 GC。
3. 内存资源：如果内存资源有限，Serial GC可能是一个好选择。

停顿时间与响应时间

大多数垃圾回收器在执行垃圾收集时需要暂停应用线程。这些停顿可能会影响应用的响应时间，特别是在对延迟敏感的应用中。例如，实时交易系统、高频交易平台等。

内存碎片化

随着时间的推移，对象的创建和销毁可能导致内存碎片化。碎片化可能会影响性能，因为垃圾回收器需要更多的时间来找到连续的内存块。某些垃圾回收算法，如复制或整理，被设计出来用于减少碎片化。

常见的JVM参数与配置

1. 指定垃圾回收器：使用-XX:+UseSerialGC、-XX:+UseParallelGC、-XX:+UseConcMarkSweepGC、-XX:+UseG1GC或-XX:+UseZGC来选择特定的垃圾回收器。
2. 堆大小：使用-Xms和-Xmx来设置堆的初始大小和最大大小。
3. 新生代大小：使用-Xmn来设置新生代的大小。
4. 详细的GC日志：-Xlog:gc*可以启用详细的GC日志，这对于性能分析和问题诊断非常有用。
5. 一些其他的优化参数：如-XX:SurvivorRatio、-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize等。

正确配置垃圾回收器和相关参数需要一定的经验和多次的试验。应始终在生产环境上运行之前，在模拟的环境中进行充分的测试和调优。我列举的参数也仅仅是冰山一角，更多参数建议大家查阅相关文档。限于篇幅，我会在后续文章中详细为你解析。

实际应用与案例分析

垃圾回收的理论和实际应用之间有时存在差距。为了提供更深入的理解，我们将讨论一些实际的应用案例，并分享从中得到的经验。

如何监控垃圾回收行为

有效地监控垃圾回收行为对于确保应用的性能和稳定性至关重要。Java提供了几种机制来实现这一点:

• GC日志: JVM可以配置为输出GC日志，这些日志详细记录了垃圾回收的过程和结果。通过分析这些日志，开发者可以获取关于内存使用情况、垃圾收集的频率和持续时间等重要信息。
• 监控工具: 工具如JVisualVM和JConsole不仅可以实时显示JVM的性能指标，还提供了丰富的图形界面，帮助开发者直观地了解垃圾回收的行为。

诊断与解决常见的内存管理问题

尽管JVM提供了自动垃圾回收，但应用仍然可能遭受内存泄漏、过度分配或其他内存管理问题。诊断这些问题通常涉及以下步骤：

• 分析堆转储: 当应用使用过多的内存或出现内存泄漏时，开发者可以生成并分析堆转储。工具如MAT (Memory Analyzer Tool) 可以帮助识别内存中的大对象、对象引用链以及其他相关信息。
• 分析代码: 使用分析器，如YourKit或JProfiler，可以帮助开发者定位可能导致内存问题的代码部分。

实际的应用案例

收集中....

文中重要部分解析

并发漏标问题

更新中...

总结

Java的垃圾回收器在确保应用性能和稳定性方面发挥了至关重要的作用。从手动管理到自动化管理，内存处理在计算机科学的发展过程中已经走过了漫长的道路。今天，通过JVM的自动垃圾回收机制，开发者可以集中精力编写更高效的代码，而不是手动管理内存。

通过我们的讨论，我们了解到了垃圾回收的工作原理、常见的垃圾回收算法、以及如何选择和配置合适的垃圾回收器。我们还探讨了监控、诊断和解决内存管理问题的方法。

但是，仅仅理解理论是不够的。为了确保应用的最佳性能，开发者必须积极监控其行为，定期分析性能数据，并在需要时进行调优。

总的来说，垃圾回收是Java性能优化中的一个重要领域。借助于现代的工具和技术，开发者可以有效地管理应用的内存使用，从而提供更好的用户体验。

参考文献

1.《深入解析java虚拟机hotspot》

2.《揭秘Java虚拟机-JVM设计原理与实现》

3.《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践》

1. 黑马程序员
2. 从原理聊JVM：染色标记和垃圾回收算法
3. JDK 17 营销初体验 —— 亚毫秒停顿 ZGC 落地实践