Java垃圾回收機制詳解

知識 05-31

垃圾回收機制是 Java 非常重要的特性之一，也是面試題的常客。它讓開發者無需關注空間的創建和釋放，而是以守護進程的形式在後台自動回收垃圾。這樣做不僅提高了開發效率，更改善了內存的使用狀況。
今天本文來對垃圾回收機制進行講解，主要涉及下面幾個問題：

什麼是堆內存？

什麼是垃圾？

有哪些方法回收這些垃圾？

什麼是分代回收機制？

什麼是 Java 堆內存

堆是在 JVM 啟動時創建的，主要用來維護運行時數據，如運行過程中創建的對象和數組都是基於這塊內存空間。Java 堆是非常重要的元素，如果我們動態創建的對象沒有得到及時回收，持續堆積，最後會導致堆空間被佔滿，內存溢出。

因此，Java 提供了一種垃圾回收機制，在後台創建一個守護進程。該進程會在內存緊張的時候自動跳出來，把堆空間的垃圾全部進行回收，從而保證程序的正常運行。

那什麼是垃圾呢？

所謂「垃圾」，就是指所有不再存活的對象。常見的判斷是否存活有兩種方法：引用計數法和可達性分析。

引用計數法

為每一個創建的對象分配一個引用計數器，用來存儲該對象被引用的個數。當該個數為零，意味著沒有人再使用這個對象，可以認為「對象死亡」。但是，這種方案存在嚴重的問題，就是無法檢測「循環引用」：當兩個對象互相引用，即時它倆都不被外界任何東西引用，它倆的計數都不為零，因此永遠不會被回收。而實際上對於開發者而言，這兩個對象已經完全沒有用處了。

因此，Java 里沒有採用這樣的方案來判定對象的「存活性」。

可達性分析

這種方案是目前主流語言里採用的對象存活性判斷方案。基本思路是把所有引用的對象想像成一棵樹，從樹的根結點 GC Roots 出發，持續遍歷找出所有連接的樹枝對象，這些對象則被稱為「可達」對象，或稱「存活」對象。其餘的對象則被視為「死亡」的「不可達」對象，或稱「垃圾」。

參考下圖，object5,object6和object7便是不可達對象，視為「死亡狀態」，應該被垃圾回收器回收。

Java垃圾回收機制詳解

GC Roots 究竟指誰呢？

我們可以猜測，GC Roots 本身一定是可達的，這樣從它們出發遍歷到的對象才能保證一定可達。那麼，Java 里有哪些對象是一定可達呢？主要有以下四種：

虛擬機棧（幀棧中的本地變數表）中引用的對象。
方法區中靜態屬性引用的對象。
方法區中常量引用的對象。
本地方法棧中JNI引用的對象。

不少讀者可能對這些 GC Roots 似懂非懂，這涉及到 JVM 本身的內存結構等等，未來的文章會再做深入講解。這裡只要知道有這麼幾種類型的 GC Roots，每次垃圾回收器會從這些根結點開始遍歷尋找所有可達節點。

有哪些方式來回收這些垃圾呢？

上面已經知道，所有GC Roots不可達的對象都稱為垃圾，參考下圖，黑色的表示垃圾，灰色表示存活對象，綠色表示空白空間。

Java垃圾回收機制詳解

那麼，我們如何來回收這些垃圾呢？

標記－清理

第一步，所謂「標記」就是利用可達性遍歷堆內存，把「存活」對象和「垃圾」對象進行標記，得到的結果如上圖；

第二步，既然「垃圾」已經標記好了，那我們再遍歷一遍，把所有「垃圾」對象所佔的空間直接清空即可。

結果如下：

Java垃圾回收機制詳解

這便是標記－清理方案，簡單方便，但是容易產生內存碎片。

標記－整理

既然上面的方法會產生內存碎片，那好，我在清理的時候，把所有存活對象扎堆到同一個地方，讓它們待在一起，這樣就沒有內存碎片了。

結果如下：

Java垃圾回收機制詳解

這兩種方案適合存活對象多，垃圾少的情況，它只需要清理掉少量的垃圾，然後挪動下存活對象就可以了。

複製

這種方法比較粗暴，直接把堆內存分成兩部分，一段時間內只允許在其中一塊內存上進行分配，當這塊內存被分配完後，則執行垃圾回收，把所有存活對象全部複製到另一塊內存上，當前內存則直接全部清空。

參考下圖：

Java垃圾回收機制詳解

起初時只使用上面部分的內存，直到內存使用完畢，才進行垃圾回收，把所有存活對象搬到下半部分，並把上半部分進行清空。

這種做法不容易產生碎片，也簡單粗暴；但是，它意味著你在一段時間內只能使用一部分的內存，超過這部分內存的話就意味著堆內存里頻繁的複製清空。

這種方案適合存活對象少，垃圾多的情況，這樣在複製時就不需要複製多少對象過去，多數垃圾直接被清空處理。

Java 的分代回收機制

上面我們看到有至少三種方法來回收內存，那麼 Java 里是如何選擇利用這三種回收演算法呢？是只用一種還是三種都用呢？

Java 的堆結構

在選擇回收演算法前，我們先來看一下 Java 堆的結構。

一塊 Java 堆空間一般分成三部分，這三部分用來存儲三類數據：

剛剛創建的對象。在代碼運行時會持續不斷地創造新的對象，這些新創建的對象會被統一放在一起。因為有很多局部變數等在新創建後很快會變成不可達的對象，快速死去，因此這塊區域的特點是存活對象少，垃圾多。形象點描述這塊區域為：新生代；
存活了一段時間的對象。這些對象早早就被創建了，而且一直活了下來。我們把這些存活時間較長的對象放在一起，它們的特點是存活對象多，垃圾少。形象點描述這塊區域為：老年代；
永久存在的對象。比如一些靜態文件，這些對象的特點是不需要垃圾回收，永遠存活。形象點描述這塊區域為：永久代。（不過在 Java 8 里已經把永久代刪除了，把這塊內存空間給了元空間，後續文章再講解。）

也就是說，常規的 Java 堆至少包括了新生代和老年代兩塊內存區域，而且這兩塊區域有很明顯的特徵：

新生代：存活對象少、垃圾多
老年代：存活對象多、垃圾少

結合新生代／老年代的存活對象特點和之前提過的幾種垃圾回收演算法，可以得到如下的回收方案：

新生代－複製回收機制

對於新生代區域，由於每次 GC 都會有大量新對象死去，只有少量存活。因此採用複製回收演算法，GC 時把少量的存活對象複製過去即可。

那麼如何設計這個複製演算法比較好呢？有以下幾種方式：

思路1. 把內存均分成 1:1 兩等份

如下圖拆分內存。

Java垃圾回收機制詳解

每次只使用一半的內存，當這一半滿了後，就進行垃圾回收，把存活的對象直接複製到另一半內存，並清空當前一半的內存。

這種分法的缺陷是相當於只有一半的可用內存，對於新生代而言，新對象持續不斷地被創建，如果只有一半可用內存，那顯然要持續不斷地進行垃圾回收工作，反而影響到了正常程序的運行，得不償失。

思路2. 把內存按 9:1 分

既然上面的分法導致可用內存只剩一半，那麼我做些調整，把 1:1變成9:1，

Java垃圾回收機制詳解

最開始在 9 的內存區使用，當 9 快要滿時，執行複製回收，把 9 內仍然存活的對象複製到 1 區，並清空 9區。

這樣看起來是比上面的方法好了，但是它存在比較嚴重的問題。

當我們把 9 區存活對象複製到 1 區時，由於內存空間比例相差比較大，所以很有可能 1 區放不滿，此時就不得不把對象移到老年區。而這就意味著，可能會有一部分並不老的 9 區對象由於 1 區放不下了而被放到了老年區，可想而知，這破壞了老年區的規則。或者說，一定程度上的老年區並不一定全是老年對象。

那應該如何才能把真正比較老的對象挪到老年區呢？

思路3. 把內存按 8:1:1 分

Java垃圾回收機制詳解

既然 9:1 有可能把年輕對象放到老年區，那就換成 8:1:1，依次取名為 Eden、Survivor A、Survivor B區，其中Eden意為伊甸園，形容有很多新生對象在裡面創建；Survivor區則為倖存者，即經歷 GC 後仍然存活下來的對象。

工作原理如下：

首先，Eden區最大，對外提供堆內存。當 Eden 區快要滿了，則進行 Minor GC，把存活對象放入Survivor A區，清空 Eden 區；
Eden區被清空後，繼續對外提供堆內存；
當Eden區再次被填滿，此時對Eden區和Survivor A區同時進行 Minor GC，把存活對象放入Survivor B區，同時清空Eden 區和Survivor A區；
Eden區繼續對外提供堆內存，並重複上述過程，即在Eden區填滿後，把Eden區和某個Survivor區的存活對象放到另一個Survivor區；
當某個Survivor區被填滿，且仍有對象未被複制完畢時，或者某些對象在反覆Survive 15 次左右時，則把這部分剩餘對象放到Old區；
當 Old 區也被填滿時，進行 Major GC，對 Old 區進行垃圾回收。

[注意，在真實的 JVM 環境里，可以通過參數 SurvivorRatio 手動配置Eden區和單個Survivor區的比例，默認為8。]

那麼，所謂的 Old 區垃圾回收，或稱Major GC，應該如何執行呢？

老年代－標記整理回收機制

根據上面我們知道，老年代一般存放的是存活時間較久的對象，所以每一次 GC 時，存活對象比較較大，也就是說每次只有少部分對象被回收。

因此，根據不同回收機制的特點，這裡選擇存活對象多，垃圾少的標記整理回收機制，僅僅通過少量地移動對象就能清理垃圾，而且不存在內存碎片化。

至此，我們已經了解了 Java 堆內存的分代原理，並了解了不同代根據各自特點採用了不同的回收機制，即新生代採用回收機制，老年代採用標記整理機制。