Java的内存回收机制

在Java中,它的内存管理包括两方面:内存分配(创建Java对象的时候)和内存回收,这两方面工作都是由JVM自动完成的,降低了Java程序员的学习难度,避免了像C/C++直接操作内存的危险。但是,也正因为内存管理完全由JVM负责,所以也使Java很多程序员不再关心内存分配,导致很多程序低效,耗内存。因此就有了Java程序员到最后应该去了解JVM,才能写出更高效,充分利用有限的内存的程序。

1.Java在内存中的状态

首先我们先写一个代码为例子:

Person.java

package test;

import java.io.Serializable;

public class Person implements Serializable {

    static final long serialVersionUID = 1L;

    String name; // 姓名

    Person friend;    //朋友

    public Person() {}

    public Person(String name) {
        super();
        this.name = name;
    }
}

Test.java

package test;

public class Test{

    public static void main(String[] args) {
        Person p1 = new Person("Kevin");
        Person p2 = new Person("Rain");
        Person p3 = new Person("Sunny");

        p1.friend = p2;
        p3 = p2;
        p2 = null;
    }
}

把上面Test.java中main方面里面的对象引用画成一个从main方法开始的对象引用图的话就是这样的(顶点是对象和引用,有向边是引用关系):

当程序运行起来之后,把它在内存中的状态看成是有向图后,可以分为三种:

1)可达状态:在一个对象创建后,有一个以上的引用变量引用它。在有向图中可以从起始顶点导航到该对象,那它就处于可达状态。

2)可恢复状态:如果程序中某个对象不再有任何的引用变量引用它,它将先进入可恢复状态,此时从有向图的起始顶点不能再导航到该对象。在这个状态下,系统的垃圾回收机制准备回收该对象的所占用的内存,在回收之前,系统会调用finalize()方法进行资源清理,如果资源整理后重新让一个以上引用变量引用该对象,则这个对象会再次变为可达状态;否则就会进入不可达状态。

3)不可达状态:当对象的所有关联都被切断,且系统调用finalize()方法进行资源清理后依旧没有使该对象变为可达状态,则这个对象将永久性失去引用并且变成不可达状态,系统才会真正的去回收该对象所占用的资源。

上述三种状态的转换图如下:

2.Java对对象的4种引用

1)强引用 :创建一个对象并把这个对象直接赋给一个变量,eg :Person person = new Person(“sunny”); 不管系统资源有么的紧张,强引用的对象都绝对不会被回收,即使他以后不会再用到

2)软引用 :通过SoftReference类实现,eg : SoftReference<Person> p = new SoftReference<Person>(new Person(“Rain”));,内存非常紧张的时候会被回收,其他时候不会被回收,所以在使用之前要判断是否为null从而判断他是否已经被回收了。

3)弱引用 :通过WeakReference类实现,eg : WeakReference<Person> p = new WeakReference<Person>(new Person(“Rain”));不管内存是否足够,系统垃圾回收时必定会回收。

4)虚引用 :不能单独使用,主要是用于追踪对象被垃圾回收的状态。通过PhantomReference类和引用队列ReferenceQueue类联合使用实现,eg :

 

package test;

import java.lang.ref.PhantomReference;
import java.lang.ref.ReferenceQueue;


public class Test{

    public static void main(String[] args) {
        //创建一个对象
        Person person = new Person("Sunny");    
        //创建一个引用队列    
        ReferenceQueue<Person> rq = new ReferenceQueue<Person>();
        //创建一个虚引用,让此虚引用引用到person对象
        PhantomReference<Person> pr = new PhantomReference<Person>(person, rq);
        //切断person引用变量和对象的引用
        person = null;
        //试图取出虚引用所引用的对象
        //发现程序并不能通过虚引用访问被引用对象,所以此处输出为null
        System.out.println(pr.get());
        //强制垃圾回收
        System.gc();
        System.runFinalization();
        //因为一旦虚引用中的对象被回收后,该虚引用就会进入引用队列中
        //所以用队列中最先进入队列中引用与pr进行比较,输出true
        System.out.println(rq.poll() == pr);
    }
}

运行结果:

3.Java垃圾回收机制

其实Java垃圾回收主要做的是两件事:1)内存回收 2)碎片整理

3.1垃圾回收算法

1)串行回收(只用一个CPU)和并行回收(多个CPU才有用):串行回收是不管系统有多少个CPU,始终只用一个CPU来执行垃圾回收操作,而并行回收就是把整个回收工作拆分成多个部分,每个部分由一个CPU负责,从而让多个CPU并行回收。并行回收的执行效率很高,但复杂度增加,另外也有一些副作用,如内存碎片增加。

2)并发执行和应用程序停止 :应用程序停止(Stop-the-world)顾名思义,其垃圾回收方式在执行垃圾回收的同时会导致应用程序的暂停。并发执行的垃圾回收虽然不会导致应用程序的暂停,但由于并发执行垃圾需要解决和应用程序的执行冲突(应用程序可能在垃圾回收的过程修改对象),因此并发执行垃圾回收的系统开销比Stop-the-world高,而且执行时需要更多的堆内存。

3)压缩和不压缩和复制 :

①支持压缩的垃圾回收器(标记-压缩 = 标记清除+压缩)会把所有的可达对象搬迁到一端,然后直接清理掉端边界以外的内存,减少了内存碎片。

②不压缩的垃圾回收器(标记-清除)要遍历两次,第一次先从跟开始访问所有可达对象,并将他们标记为可达状态,第二次便利整个内存区域,对未标记可达状态的对象进行回收处理。这种回收方式不压缩,不需要额外内存,但要两次遍历,会产生碎片

复制式的垃圾回收器:将堆内存分成两个相同空间,从根(类似于前面的有向图起始顶点)开始访问每一个关联的可达对象,将空间A的全部可达对象复制到空间B,然后一次性回收空间A。对于该算法而言,因为只需访问所有的可达对象,将所有的可达对象复制走之后就直接回收整个空间,完全不用理会不可达对象,所以遍历空间的成本较小,但需要巨大的复制成本和较多的内存。

3.2堆内存的分代回收

1)分代回收的依据:

①对象生存时间的长短:大部分对象在Young期间就被回收

②不同代采取不同的垃圾回收策略:新(生存时间短)老(生存时间长)对象之间很少存在引用

2) 堆内存的分代:

①Young代 :

Ⅰ回收机制 :因为对象数量少,所以采用复制回收。

Ⅱ组成区域 :由1个Eden区和2个Survivor区构成,同一时间的两个Survivor区,一个用来保存对象,另一个是空的;每次进行Young代垃圾回收的时候,就把Eden,From中的可达对象复制到To区域中,一些生存时间长的就复制到了老年代,接着清除Eden,From空间,最后原来的To空间变为From空间,原来的From空间变为To空间。

Ⅲ对象来源 :绝大多数对象先分配到Eden区,一些大的对象会直接被分配到Old代中。

Ⅳ回收频率 :因为Young代对象大部分很快进入不可达状态,因此回收频率高且回收速度快。

②Old代 :

Ⅰ回收机制 :采用标记压缩算法回收。

Ⅱ对象来源 :1.对象大直接进入老年代。

2.Young代中生存时间长的可达对象

Ⅲ回收频率 :因为很少对象会死掉,所以执行频率不高,而且需要较长时间来完成。

③Permanent代 :

Ⅰ用      途 :用来装载Class,方法等信息,默认为64M,不会被回收

Ⅱ对象来源 :eg:对于像Hibernate,Spring这类喜欢AOP动态生成类的框架,往往会生成大量的动态代理类,因此需要更多的Permanent代内存。所以我们经常在调试Hibernate,Spring的时候经常遇到java.lang.OutOfMemoryError:PermGen space的错误,这就是Permanent代内存耗尽所导致的错误。

Ⅲ回收频率 :不会被回收

3.3常见的垃圾回收器

在此之前,我们先讲一下下面将会涉及到的并发和并行两个词的解释:

1)并行:指多条垃圾收集线程并行工作,但此时用户线程仍然处于等待状态;

2)并发:指用户线程与 垃圾收集线程同时执行(但不一定是并行的,可能会交替执行),用户程序继续执行,而垃圾收集程序运行于另一个CPU上。

好啦,继续讲垃圾回收器:

1)串行回收器(只使用一个CPU):Young代采用串行复制算法;Old代使用串行标记压缩算法(三个阶段:标记mark—清除sweep—压缩compact),回收期间程序会产生暂停,

2)并行回收器:对Young代采用的算法和串行回收器一样,只是增加了多CPU并行处理; 对Old代的处理和串行回收器完全一样,依旧是单线程。

3)并行压缩回收器:对Young代处理采用与并行回收器完全一样的算法;只是对Old代采用了不同的算法,其实就是划分不同的区域,然后进行标记压缩算法:

① 将Old代划分成几个固定区域;

② mark阶段(多线程并行),标记可达对象;

③ summary阶段(串行执行),从最左边开始检验知道找到某个达到数值(可达对象密度小)的区域时,此区域及其右边区域进行压缩回收,其左端为密集区域

④ compact阶段(多线程并行),识别出需要装填的区域,多线程并行的把数据复制到这些区域中。经此过程后,Old代一端密集存在大量活动对象,另一端则存在大块空间。

4)并发标识—清理回收(CMS):对Young代处理采用与并行回收器完全一样的算法;只是对Old代采用了不同的算法,但归根待地还是标记清理算法:

① 初始标识(程序暂停):标记被直接引用的对象(一级对象);

② 并发标识(程序运行):通过一级对象寻找其他可达对象;

③ 再标记(程序暂停):多线程并行的重新标记之前可能因为并发而漏掉的对象(简单的说就是防遗漏)

④ 并发清理(程序运行)

4.内存管理小技巧

1)尽量使用直接量,eg:String javaStr = “小学徒的成长历程”;

2)使用StringBuilder和StringBuffer进行字符串连接等操作;

3)尽早释放无用对象;

4)尽量少使用静态变量;

5)缓存常用的对象:可以使用开源的开源缓存实现,eg:OSCache,Ehcache;

6)尽量不使用finalize()方法;

7)在必要的时候可以考虑使用软引用SoftReference。



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