JVM的內存區域劃分以及垃圾回收機制詳解

在咱們寫Java代碼時，大部分狀況下是不用關心你New的對象是否被釋放掉，或者何時被釋放掉。由於JVM中有垃圾自動回收機制。在以前的博客中咱們聊過Objective-C中的MRC(手動引用計數)以及ARC(自動引用計數)的內存管理方式，下方會對其進行回顧。而目前的JVM的內存回收機制則不是使用的引用計數，而是主要使用的「複製式回收」和「自適應回收」。

固然除了上面是這兩種算法外，還有其餘是算法，下方也將會對其進行介紹。本篇博客，咱們先簡單聊一下JVM的區域劃分，而後在此基礎上介紹一下JVM的垃圾回收機制。

 

1、JVM內存區域劃分簡述

固然本部分簡單的聊一下JVM的內存區域的劃分，爲下方垃圾回收機制內容的展開進行鋪墊。固然對JVM內存區域劃分的內容網上有好多詳細的內容，請自行Google。

根據JVM內存區域的劃分，簡單的畫了下方的這個示意圖。區域主要分爲兩大塊，一塊是堆區（Heap），咱們所New出的對象都會在堆區進行分配，在C語言中的malloc所分配的方法就是從Heap區獲取的。而垃圾回收器主要是對堆區的內存進行回收的。

而另外一部分則是非堆區，非堆區主要包括用於編譯和保存本地代碼的「代碼緩存區(Code Cache)」、保存JVM本身的靜態數據的「永生代（Perm Gen）」、存放方法參數局部變量等引用以及記錄方法調用順序的「Java虛擬機棧（JVM Stack）」和「本地方法棧（Local Method Stack）」。

　　

垃圾回收器主要回收的是堆區中未使用的內存區域，並對相應的區域進行整理。在堆區中，又根據對象內存的存活時間或者對象大小，分爲「年輕代」和「年老代」。「年輕代」中的對象是不穩定的易產生垃圾，而「年老代」中的對象比較穩定，不易產生垃圾。之因此將其分開，是分而治之，根據不一樣區域的內存塊的特色，採起不一樣的內存回收算法，從而提升堆區的垃圾回收的效率。下方會給出具體的介紹。

 

 

2、常見的內存回收算法簡介

上面咱們簡單的瞭解的JVM中內存區域的劃分，接下來咱們就來看一下幾種常見的內存回收算法。固然，下方所介紹的內存回收的算法不只僅是JVM中所使用到的，咱們還會回顧一下OC中的內存回收方式。下方主要包括「引用計數式回收」、「複製式回收」、「標記整理式回收」、「分代式回收」。

 

一、引用計數式內存回收

引用計數(Reference Count)式內存回收機制是Objective-C以及Swift語言中正在使用的內存回收機制，在以前的博客中咱們也詳細的聊過引用計數式的內存回收。只要有引用，那麼引用計數就加1。當引用計數爲0時，該塊內存就會被回收。固然這中內存清理方式容易造成「引用循環」。

在Objective-C的引用計數中循環引用而形成內存泄露的問題，能夠將變量聲明成weak或者strong類型。也就是說咱們能夠將引用定義爲「強引用」或者「弱引用」。當出現「強引用循環」時，咱們將其中的一個引用設置爲weak類型便可，而後這種強引用循環就被打破了，也就不會形成「內存泄露」的問題。關於「引用計數式內存回收」的更多以及更詳細的內容，請參考以前發佈的關於OC內容的相關博客。

爲了更清晰的瞭解引用計數的工做方式，就簡單的畫了下方這個圖。在左邊的棧中的a、b、c三個引用分別指向堆中的不一樣區域塊。在堆中的內存區域塊中，該區域有一個強引用時，其retainCount就會加1。而在弱引用時，就retainCount就不會加1。

咱們先來看看a引用的第1塊內存區域，由於該內存塊只有a在強引用，因此retainCount=1，當a不在引用該內存區域時，retainCount=0，該內存會理解被回收的。這種狀況下是不會形成內存泄露的。

咱們再來看看b指向的內存區域2。b和內存塊3都強引用了內存塊2，因此2的retainCount=2。而內存塊2也強引用了內存塊3，因此3的retainCount=1。因此b指向的這塊內存區域就存在「強引用循環」，由於當b再也不指向這塊內存區域時，rc=2就會變爲rc=1。由於retainCount不爲零，因此這2塊內存區域是不會被釋放的，2不會被釋放，那麼天然而然的3塊內存區域也不會被釋放，可是這塊內存區域有不會再被使用到了，因此就會形成「內存泄露」的狀況。若是這兩塊內存區域特別大，那麼咱們可想而知，後果是比較嚴重的。

像c引用的這塊狀況，就不會引發「強引用循環」，由於其中的一個引用鏈是是弱引用的。當c不在引用第4塊內存時，rc由1變爲零，那麼該塊區域就會被當即釋放。而內存塊4被釋放後，內存塊5的rc由1變爲0，內存塊5也會被釋放掉。這種狀況下是不會引發內存泄露的。而在Objective-C中正是採用的這種方式來回收內存的，固然了，在OC中除了「強引用」和「弱引用」外，還有自動釋放池。也就是說，Autorealease類型的引用，讓retainCount = 0時，不會被當即釋放掉，而是在出自動釋放池時纔會被釋放掉，在此就不作過多贅述了。

　　

 

二、複製式內存回收

聊完引用計數回收，咱們知道引用計數容易引發「循環引用」的問題，爲了解決「循環引用」引發的內存泄露問題，OC中引入和「強引用」和「弱引用」的概念。接下來咱們在看看複製式內存回收機制，在該機制中是不須要關心「循環引用」的問題的。簡單的說，複製式回收其核心就是「複製」，但前提是有條件複製。在垃圾回收時，將「活對象」複製到另外一塊空白的堆區，而後將以前的區域一併清除。「活對象」就是指沿着對象的引用鏈能夠到「棧」上的對象。固然在將活對象複製到新的「堆區」後，也要將棧區的引用進行修改。

下方就是咱們畫的複製式回收的簡圖，主要將堆分爲兩大部分，在進行垃圾回收時，會將一個堆上的活對象複製到另外一個堆上。下方堆1區是目前正在使用的區塊，堆2區則是空閒區。而在堆1區中未被標記的那些內存塊，也就是二、3是要被回收的垃圾對象。而一、四、5是要被複制的「活對象」。由於沿着棧上的a可到達區塊一、沿着c可到達區塊四、5。而區塊2和3雖然有引用，可是不是來自非堆區，也就是2和3的引用都是來自堆區的引用，因此是要被回收的對象。

　　

找到了活對象後，接下來要作的就是將活對象進行復制，將其複製到堆2區。固然，複製到堆2區的對象間的內存地址是連續的，若是要分配新的內存空間的話，直接從堆空閒的一段分配便可。這樣在分配內存空間時的效率是比較高的。對象複製後，要修改來自「非堆區」的引用地址。以下所示。

　　

複製完畢後，咱們直接將堆2區的中的全部內存空間進行回收便可，下方就是複製回收後的最終結果。下方的堆1區清空後，能夠接收復制過來的對象了。當對堆2區進行垃圾回收時，會把堆2區的活對象拷貝到堆1區上。

從該實例中咱們能夠看出當內存垃圾特別多的時候「複製式」垃圾回收的效率仍是比較高的，由於複製的對象比較少，清除時直接將舊的堆空間進行清理便可。可是，當垃圾比較少的時候，這種方式會複製大量的活對象，效率仍是比較低的。這種方式也會將堆的存儲空間進行分半。也就是說，總有一半是空閒的，堆空間的利用率不高。

　　

 

三、標記-壓縮回收算法

從上述「複製式」垃圾回收過程當中，咱們知道，垃圾多時其效率比較高，而垃圾少時，其工做方式效率是比較低的。那麼，接下來，咱們來介紹另外一種標記-壓縮回收算法，這種算法在垃圾少時的工做效率比較高，而垃圾多的狀況下，工做效率反而不高，這就與「複製式」造成了互補。下方咱們將會對標記-壓縮回收算法進行介紹。

標記-壓縮的第一部就是標記，須要將堆區中的「活對象」進行標記。上面的內容咱們已經聊了什麼是「活對象」，在此就不作過多贅述了。由「活對象」的特徵咱們能夠看出，下方的活對象是內存區域1和3，因此咱們將其進行標記。

　　

標記完成後，咱們就開始進行壓縮了，將活對象壓縮到「堆區」的一段，而後將剩餘的部分進行清除。下方就是將1和3這兩個活對象進行了壓縮。壓縮後，將下方的空間進行Clean。也就是說Clean的部分，就能夠分配新的對象了。

　　

下方截圖是標記-壓縮清理後的狀態。標記-壓縮式垃圾回收可充分利用堆區的空間，當垃圾比較少時，這種處理方式效率仍是比較高的，若是垃圾太多碎片化嚴重時，移動的「活對象」較多，效率比較低。這種方式能夠與「複製式」結合使用，根據當前堆區的垃圾狀態來選擇哪一種回收方式。正好與「複製式」造成優點互補。將「複製式」、「標記-壓縮式」的回收方式進行整合的算法，就是「分代式」垃圾回收機制，下方會詳細介紹到。

　　

 

四、分代式垃圾回收

「分代」即根據對象易產生垃圾的狀態或者對象的大小將其分爲不一樣的代，可分爲「年輕代」、「年老代」和「永久代」。「永久代」不在堆中，再次先不作討論。根據分代垃圾回收的特色，畫了下方的簡圖。

在堆中，主要把區域分爲「年輕代」、「年老代」。位於「年輕代」的對象內存建立的時間不長，更新比較快，易產生「內存垃圾」，因此「年輕代」的垃圾回收使用「複製式」回收方式效率比較高。「年輕代」又可分爲兩個區，一個是Eden Space（伊甸園）和Survivor Sprace（倖存者區）。Eden Space去主要存放那些初次被建立的對象，而Survivor Sprace存放的是從Eden Space倖存下來的「活對象」。在Survivor Sprace（倖存者區）中又分爲form和to兩塊，用於相互複製對象來進行垃圾清理。

而「年老代」中存放的是一些「大對象」以及從Survivor Sprace中存活下來的「對象」，通常到「年老代」的對象比較穩定，產生垃圾較少，針對這種狀況，使用「標記-壓縮」式回收效率比較高。「分代垃圾回收」主要是分而治之，根據不一樣對象的特色將其分類，根據分類的特色來具體選擇合適的垃圾回收方案。 

　　

 

3、分代式垃圾回收的具體工做原理

固然在JVM具體的垃圾回收時，根據線程分可分爲使用單個線程回收的「串行垃圾回收」，使用多個線程回收的「並行垃圾回收」。根據程序的掛起狀態，又可分爲「獨佔式回收」和「併發式回收」。固然以前也屢次聊過「並行」與「併發」絕對不是一個概念，切不可將其混淆。本篇博客就不對上述這些方式進行詳述了，感興趣的，請自行Google。

下面咱們來看一下「分代式垃圾回收」的具體工做原理的完整步驟，來直觀的感覺一下「分代式」的垃圾回收的執行方式。

 

一、垃圾回收前

下圖是等待「分代垃圾回收」的簡圖，從下圖中，咱們能夠看出在堆中有些已分配的對象內存並無被棧上引用，這些就是要被回收的對象。咱們能夠看出，下方的堆，總體上分爲「年輕代」和「年老代」，而年輕代，有可細分爲Eden Space， From以及To三個區域。關於每一個區域的做用，在上面介紹「分代垃圾回收」時，咱們已經介紹過了，因此在此部分咱們不作詳細介紹了。

　　

 

二、分代垃圾回收

下圖是對上述堆控件的垃圾回收過程。由於咱們有上圖能夠看出，To區域是空白區，能夠接受被複制的對象。因爲「年輕代」易產生內存垃圾，因此採用「複製式」內存回收的方式。咱們將Eden Space和From兩個堆區塊中的「活對象」拷貝到To區。拷貝的同時，咱們也要修改被拷貝內存的棧引用地址。而對From或者Eden區域的「大對象」存儲空間直接將其複製到「年老代」。由於「大對象」在From與To區屢次複製的效率比較低，直接將其加入到「年老代」中以提升回收效率。

對於「年老代」的垃圾回收，就採用「標記-壓縮」式垃圾回收。首先，先將活對象進行「標記」。

　　

 

三、垃圾回收後的結果

下方就是「分代」垃圾回收後的具體結果。從下方簡圖中，咱們能夠看出，Eden Space和From中的活對象都被複制到了To區，而「年老代」的堆區的存儲空間也變化很多。並且在「年老代」中多出了從From區複製過來的大對象。具體以下所示。

　　

 

 

4、Eclipse的GC日誌配置與分析

上面聊這麼多，接下來咱們來直觀的感覺一下在Eclipse如何查看垃圾回收的過程以及分析垃圾回收的日誌信息。默認狀況下，是不顯示垃圾回收的過程以及打印日誌的，須要在運行配置中添加相關的配置項來將垃圾回收的日誌進行打印。本部分咱們來看一下Eclipse中的垃圾回收日誌記錄的配置，而後咱們來分析一下這些日誌記錄。固然咱們本篇博客中使用的是Java8，若是你用其餘版本的Java打印出來的日誌信息會略有不一樣，好開始本部分的內容。

一、配置Eclipse的運行設置

在Eclipse中的運行設置中添加相應的配置項，垃圾回收時纔會打印相應的日誌信息。選擇咱們的工程，而後找到Run Configurations…選項，進行運行時的配置。

　　

 

下方就是上述選項打開的對話框，而後找到(x)=Arguments這個標籤欄，在VM arguments中添加相應的虛擬機參數，這些參數都會做爲工程在運行時的參數。下方咱們添加了-XX:+PrintGCTimeStamps和-XX:+PrintGCDetails兩個參數。由這兩個參數名咱們不難看出相應參數所對應的功能，一個是打印垃圾回收時的時間戳，另外一個是打印垃圾回收時的細節。固然還有好多其餘的參數，好比選擇「垃圾回收」時的具體算法的參數，以及選擇是「串行」仍是「並行」的參數，還有一些選擇是「獨佔式」仍是「併發式」垃圾回收的參數。在此就不作過多贅述了，請自行Google。

　　

 

二、回收日誌的打印與解析

配置完上述參數後，當咱們使用System.gc(); 來進行強制垃圾回收時，會打印出相應的參數信息。首先咱們得建立測試用的代碼，下方就是咱們所建立的測試類，固然測試類中的代碼比較簡單。主要就是new了以字符串，而後將引用置爲null, 最後調用System.gc()進行回收。具體代碼以下所示:

package com.zeluli.gclog;

public class GCLogTest {
    public static void main(String[] args) {
        String s = new String("Value");
        s = null;
        System.gc();
    }
}

 

下方就是上述代碼所運行的效果，接下來咱們將對下方日誌信息的主要內容進行介紹。

• [PSYoungGen: 1997K->416K(38400K)] 1997K->424K(125952K), 0.0010277 secs]

  • PSYoungGen表示，並行對「年輕代」進行回收，1997K->416K表示年輕代相應區域中「回收前->回收後」的大小，而（38400K）表示「年輕代」堆的總大小。然後方的1997K->424K(125952K)數據是以整個堆的角度來看待的問題。1997K(堆回收前使用的內存) -> 424K(堆回收後使用的內存)(125952K-堆的總內存空間)。

• [ParOldGen: 8K->328K(87552K)]

  • ParOldGen並行回收「年老代」，後邊的參數與上述並行回收年輕代的參數相似，就很少說了。
• [Metaspace: 2669K->2669K(1056768K)]
  • 則表示「元數據區」的回收狀況，Metaspace及「永久代」區，用於存放靜態數據或者系統方法的區域。　　

　　

 

上述就是簡單的垃圾回收的日誌，本篇博客的內容就先到這兒吧，關於JVM中的垃圾回收的內容還有好多，之後結合着具體狀況，再陸陸續續的進行介紹。今天博客就先到這兒。