聊聊面試中常問的GC機制

GC 中文直譯垃圾回收，是一種回收內存空間避免內存泄漏的機制。當 JVM 內存緊張，經過執行 GC 有效回收內存，轉而分配給新對象從而實現內存的再利用。 JVM GC 機制雖然無需開發主動參與，減輕很多工做量，可是某些狀況下，自動 GC 將會致使系統性能降低，響應變慢，因此這就須要咱們提早了解掌握 GC 機制。當面對這種狀況時，才能從容不迫的解決問題。另外 GC機制也是 Java 面試高頻考題，瞭解掌握 GC 是一項必備技能。

學習 GC ，首先咱們解決三個問題:

• 什麼是垃圾
• 在哪裏回收垃圾
• 怎麼回收垃圾

什麼是垃圾#

咱們先來看一段簡單的代碼。

上面代碼經過將字符串對象轉化成字節數組，而後寫入本地文件。方法一旦開始執行，就將會在分配必定內存給新建的對象，而後將引用告訴了 str ， bytes 變量。等到方法執行完畢，方法內部局部變量緊接將就會被銷燬。可是這樣僅僅銷燬了局部變量，卻沒有帶走內存上這些實際的對象。這類再也不起做用，沒有被引用的對象，將其歸類爲垃圾。

在偌大的內存上存活着無數對象， GC 以前須要準確將這些對象標記出來，分爲存活對象與垃圾對象。這個過程一旦少標記，那就只能等待下次 GC 標記，再回收，這樣將會影響 GC 效率。另外決不能錯標記，將正常存活對象標記爲垃圾。一旦回收正常存活的對象，可能就會引發程序各類崩潰。

目前有兩種算法能夠用來標記：

• 引用計數法
• 可達性分析法

引用計數法#

引用計數法經過在對象頭分配一個字段，用來存儲該對象引用計數。一旦該對象被其餘對象引用，計數加 1。若是這個引用失效，計數減 1。當引用計數值爲 0 時，表明這個對象已再也不被引用，能夠被回收。

引用計數法

如上圖所示，當 str 引用堆中對象時，計數值增長爲 1。當 str 變爲 null 時，既再也不引用該對象，計數值減 1。此時該對象就能夠被 GC 回收。

引用計數法只須要判斷計數值，因此實現比較簡單，這個過程也比較高效。可是存在一個很嚴重的問題，沒法解決對象循環引用問題。

引用計數法-1

從上圖能夠看到， a , b 再也不引用堆中對象，致使計數減一。此時兩個對象內部還存在互相引用，計數值不爲 0，此時 GC 沒辦法回收該對象。

可達性分析法#

這個算法首先須要按照規則查找當前活躍的引用，將其稱爲 GC Roots 。接着將 GC Roots 做爲根節點出發，遍歷對象引用關係圖，將能夠遍歷（可達）的對象標記爲存活，其他對象當作無用對象。

可達性分析

注意這裏是是 引用 ，而不是對象。

從上圖能夠看到，綠色對象雖然存在循環引用，可是因爲這些對象不能被 GC Roots 遍歷到，因此將會被回收。

能夠被當作 GC Roots 活躍引用包括但不限於如下引用：

• 方法中局部變量
• 靜態變量，常量
• JNI handles
• ....

在哪裏回收垃圾#

還記得剛開始接觸 Java 時，只知道堆棧，對象實例分配在堆中，方法中局部變量位於棧中。實際上 JVM 內存區域劃分更加細緻，分爲：

• 堆
• 方法區
• 虛擬機棧
• 本地方法棧
• 程序計數器

JVM 運行時內存區域劃分

如圖所示，咱們將內存劃分爲線程私有與線程共享的區域。方法區與堆都是線程共享的區域，這兩部分佔用 JVM 大部份內存，剩下三個小弟將會跟線程綁定，隨着線程消亡，自動將會被 JVM回收。

堆

堆應該是你們最熟悉的一塊區域，幾乎全部對象實例都將會在此出生，一般也是虛擬機上佔用內存最大一塊區域，簡直就是 JVM 內存中的大哥大。堆內存內部也不是簡簡單單一塊而已，目前將會根據分代算法，將堆分代，不一樣對象位於不一樣區域。這一點咱們下文再詳細瞭解。

方法區

方法區將會保存已被虛擬上加載的類信息、常量，靜態變量，字節碼等信息，堆上的對象正式經過方法區這些信息，才能正確建立出來。

棧

虛擬機棧棧由一系列棧幀組成，每一個棧幀其實表明一個方法，棧幀中將會保存一個方法的局部變量表，方法出入口信息，操做棧等。每當調用一個方法，就將會把這個棧幀壓入棧中，執行結束，出棧。

本地方法棧與虛擬機棧比較相似，最大區別在於，虛擬機棧執行的 Java 方法，而本地方法棧將會用來執行 Native 方法服務。下面方法就會在本地方法棧中執行。

<pre class="java" style="margin: 10px 0px; padding: 0px; white-space: pre !important; overflow-wrap: break-word; position: relative !important; color: rgb(49, 70, 89); font-size: 16px; font-style: normal; font-variant-ligatures: normal; font-variant-caps: normal; font-weight: 300; letter-spacing: normal; orphans: 2; text-align: left; text-indent: 0px; text-transform: none; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-text-stroke-width: 0px; background-color: rgb(255, 255, 255); text-decoration-style: initial; text-decoration-color: initial;">

　　

Copy

public static native void arraycopy(Object src, int srcPos, Object dest, int destPos, int length); </pre>

程序計數器

程序計算器能夠說是這幾塊區域佔用最小的一部分，可是功能卻十分重要。Java 源代碼經過編譯變成字節碼，而後被 JVM 載入運行以後，將會變成一條條指令，而程序計數器的工做就是告訴當前線程下一條須要執行指令。這樣即便發生了線程切換，等待恢復的時候，當前線程依然知道接下去要執行的指令。

怎麼回收#

目前主流 GC 算法主要分爲三種：

• 標記-清除算法
• 複製算法
• 標記-整理算法

標記-清除算法#

這是一個最爲基礎也是最容易實現的算法，主要實現步驟分爲兩步：標記，清除。

• 標記：經過上述 GC Roots 標記出可達對象。
• 清除：清理 未標記對象 。

 

ps：這個圖着實難畫啊。。。。

能夠看到通過這個算法回收以後，雖然堆空間被清理出來，可是也產生不少 空間碎片 。這就會致使一個新對象根據堆剩餘容量計算，看起來是能夠分配，可是實際分配過程，因爲沒有連續內存，致使虛擬機感知到內存不足，又不得不提早再次觸發 GC 。

可能這裏你就會有疑惑，爲何對象須要分配一塊連續的內存？

這裏引用一下 R 神@RednaxelaFX 答案。

另外這個算法還有一個不足：標記與清除效率比較低。這就竟會致使 GC 佔用時間過長，影響正常程序使用。

複製算法#

爲了解決上述效率問題，誕生複製算法。這個算法將可用內存分爲兩塊，每次只使用其中一塊，當這一塊內存使用完畢，觸發 GC ，將會把存活的對象依次複製到另一塊上，而後再把已使用過的內存一次性清理。

 

 

這個算法每次只須要操做一半內存， GC 回收以後也不存在任何空間碎片，新對象內存分配時只須要移動堆頂指針，按順序分配內存便可，實現簡單，運行高效。可是這個算法閒置一半內存空間，空間利用效率不高。

PS：複製算法以空間換時間，二者不可兼得

另外對象存活率也會影響複製算法效率。若是對象大部分都是朝生夕死，只須要移動少許存活對象，就能騰出大部分空間。反而若是對象存活率高，這就須要進行較多的複製操做，回收以後也並無多餘內存，這就可能致使頻繁觸發 GC 。

針對這種存活時間長的對象，就須要使用標記-整理算法。

標記-整理算法#

標記-整理算法能夠說是標記-清除算法的改進版，改進了清除致使的空間碎片問題。這個算法分爲兩步：

GC Roots

 

 

雖然標記-整理算法解決了標記-清除算法空間碎片問題，也完整利用整個內存空間，可是這個算法問題效率並不高。相較於標記-清除算法，標記-整理算法多增長整理這一步，因此該算法效率還低於標記-清除算法。

分代收集算法#

從上面三種 GC 算法能夠看到，並無一種空間與時間效率都是比較完美的算法，因此只能作的是綜合利用各類算法特色將其做用到不用的內存區域。

目前商業虛擬機根據對象存活週期不一樣劃份內存區域，通常分爲新生代，老年代。新對象通常狀況都會優先分配在新生代，新生代對象若存活時間大於必定閾值以後，將會移到至老年代。新生代的對象都是短命鬼，老年代的對象都是長壽先生。

新生代每次 GC 以後均可以回收大批量對象，因此比較適合複製算法，只須要付出少許複製存活對象的成本。這裏內存劃分並無按照 1:1 劃分，默認將會按照 8:1:1 劃分紅 Eden 與兩塊 Survivor 空間。每次使用 Eden 與一塊 Survivor 空間，這樣咱們只是閒置 10% 內存空間。不過咱們每次回收並不能保證存活對象小於 10%,在這種狀況下就須要依靠老年代的內存分配擔保。當 Survivor 空間並不能保存剩餘存活對象，就將這些對象經過分配擔保進制移動至老年代。

老年代中對象存活率將會特別高，且沒有額外空間進行分配擔保，因此並不適合複製算法，因此須要使用標記-清除或標記-整理算法。

感謝你看完個人長篇大論，若是以爲對你有幫助的話，能夠動動你敲代碼的小手幫我點個贊。

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