Java虛擬機中垃圾回收機制的原理是什么

Java虛擬機中垃圾回收機制的原理是什么？很多新手對此不是很清楚，為了幫助大家解決這個難題，下面小編將為大家詳細講解，有這方面需求的人可以來學習下，希望你能有所收獲。

在Java虛擬機中，對象和數組的內存都是在堆中分配的，垃圾收集器主要回收的內存就是再堆內存中。如果在Java程序運行過程中，動態創建的對象或者數組沒有及時得到回收，持續積累，最終堆內存就會被占滿，導致OOM。

JVM提供了一種垃圾回收機制，簡稱GC機制。通過GC機制，能夠在運行過程中將堆中的垃圾對象不斷回收，從而保證程序的正常運行。

垃圾對象的判定

我們都知道，所謂“垃圾”對象，就是指我們在程序的運行過程中不再有用的對象，即不再存活的對象。那么怎么來判斷堆中的對象是“垃圾”、不再存活的對象呢？

引用計數法

每個對象都有一個引用計數的屬性，用來保存該對象被引用的次數。當引用次數為0時，就意味著該對象沒有被引用了，也就不會在使用這個對象了，可以判定為垃圾對象。但是，這種方式有一個很大的Bug，就是無法解決對象間相互引用或者循環引用的問題：當兩個對象相互引用，他們兩個和其他任何對象也沒有引用關系，它倆的引用次數都不為0，因此不會被回收，但實際上這兩個對象已經不再有用了。

可達性分析（根搜索法）

為了避免使用引用計數法帶來的問題，Java采用了可達性分析法來判斷垃圾對象。

這種方式可以將所有對象的引用關系想象成一棵樹，從樹的根節點GC Root遍歷所有引用的對象，樹的節點就為可達對象，其他沒有處于節點的對象則為不可達對象。

那么什么樣的對象可以作為GC的根節點呢？

虛擬機棧（幀棧中的本地變量表）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

引用狀態

垃圾回收機制，不管采用是引用計數法，還是可達性分析法，都與對象的引用有關，Java中存在四種引用狀態：

強引用 - 我們使用的大部分引用實際上都是強引用，這是使用最普遍的引用。如果一個對象具有強引用，就表示它處于可達狀態，垃圾回收器絕不會回收它，即便系統內存非常緊張，Java虛擬機寧愿拋出 OutOfMemoryError 錯誤，使程序異常終止，也不會回收被強引用所引用的對象。因此，強引用是造成Java內存泄露的主要原因之一。

軟引用 - 一個對象只具有軟引用，如果內存空間足夠，垃圾回收器就不會回收它，如果內存空間不足了，就會回收這些對象的內存。只要垃圾回收器沒有回收它，該對象就可以被程序使用。

弱引用 - 一個對象只具有弱引用，那就類似于是可有可無的。弱引用和軟引用很像，但弱引用的引用級別更低。弱引用與軟引用的區別在于：只具有弱引用的對象擁有更短暫的生命周期。在垃圾回收器線程掃描它所管轄的內存區域的過程中，一旦發現了只具有弱引用的對象，不管當前內存空間足夠與否，都會回收它的內存。

虛引用 - 一個對象僅持有虛引用，那么它就和沒有任何引用一樣，在任何時候都可能被垃圾回收器回收。虛引用主要用來跟蹤對象被垃圾回收的活動，我們平常一般不會使用。

垃圾回收算法

通過可達性分析算法能夠判定哪些對象是需要回收的了，那么回收具體需要怎樣去執行呢？

標記-清除算法

首先需要標記可以回收的對象內存，然后在對回收的內存進行清除。

標記-清除算法（回收前）

標記-清除算法（回收后）

但是這樣的話，隨著程序的運行，會不斷分配釋放內存，在堆中會產生很多的不連續的空閑內存區，即內存碎片。這樣即使有足夠多的空閑內存，也不一定能分配出足夠大的內存，并且可能會造成頻繁的GC，影響效率，甚至OOM。

標記-整理算法

和標記-清除算法不同的是，標記-整理算法在標記后不直接清理可回收內存，而是將存活對象都移動到一端，然后清除掉可回收內存。

標記-整理算法（回收前）

標記-整理算法（回收后）

這樣做的好處就是不會產生內存碎片。

復制算法

復制算法需要先將內存分為兩塊，先在其中一塊內存上分配內存，當這塊內存被分配完后，則執行垃圾回收，然后把存活對象全部復制到另一塊內存上，第一塊內存則全部清空。

復制算法（回收前）

復制算法（回收后）

這種算法不會產生內存碎片，但是相當于只能使用一半的內存空間。同時，復制算法和存活對象的數量有關，如果存活對象的數量多，那么復制算法的效率會大大降低。

分代收集算法

在Java虛擬機中，對象的生命周期有長有短，大部分對象的生命周期很短，只有少部分的對象才會在內存中存留較長時間，因此可以依據對象生命周期的長短將它們放在不同的區域。在采用分代收集算法的Java虛擬機堆中，一般分為三個區域，用來分別儲存這三類對象：

新生代 - 剛創建的對象，在代碼運行時一般都會持續不斷地創建新的對象，這些新創建的對象有很多是局部變量，很快就會變成垃圾對象。這些對象被放在一塊稱為新生代的內存區域。新生代的特點是垃圾對象多，存活對象少。

老年代 - 一些對象很早被創建了，經歷了多次GC也沒有被回收，而是一直存活下來。這些對象被放在一塊稱為老年代的區域。老年代的特點是存活對象多，垃圾對象少。

永久代 - 一些伴隨虛擬機生命周期永久存在的對象，比如一些靜態對象，常量等。這些對象被放在一塊稱為永久代的區域。永久代的特點是這些對象一般不需要垃圾回收，會在虛擬機運行過程中一直存活。（在Java1.7之前，方法區中存儲的是永久代對象，Java1.7方法區的永久代對象移到了堆中，而在Java1.8永久代已經從堆中移除了，這塊內存給了元空間。）

分代收集算法也就根據新生代和老年代來進行垃圾回收的。

對于新生代區域，每次GC都會有很多垃圾對象被回收，只有少量存活。因此采用復制回收算法，GC時把剩余很少的存活對象復制過去即可。

在新生代區域中，并不是按照1:1的比例來進行復制回收，而是按照8:1:1的比例分為了Eden、SurvivorA、SurvivorB三個區域。其中Eden意為伊甸園，形容有很多新生對象在里面創建；Survivor區則為幸存者，即經歷GC后仍然存活下來的對象。

Eden區對外提供堆內存。當Eden區快要滿了，則進行Minor GC(新生代GC)，把存活對象放入SurvivorA區，清空Eden區；

Eden區被清空后，繼續對外提供堆內存；

當Eden區再次被填滿，此時對Eden區和SurvivorA區同時進行Minor GC(新生代GC)，把存活對象放入SurvivorB區，此時同時清空Eden區和SurvivorA區；

Eden區繼續對外提供堆內存，并重復上述過程，即在 Eden 區填滿后，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，且仍有對象未被復制完畢時，或者某些對象在反復Survive 15次左右時，則把這部分剩余對象放到老年代區域；當老年區也被填滿時，進行Major GC（老年代GC），對老年代區域進行垃圾回收。

老年代區域對象一般存活周期較長，每次GC時，存活的對象比較多，因此采用標記-整理算法，GC時移動少量存活對象，不會產生內存碎片。

觸發GC的類型

Java虛擬機會把每次觸發GC的信息打印出來，可以根據日志來分析觸發GC的原因。

GC_FOR_MALLOC：表示是在堆上分配對象時內存不足觸發的GC。

GC_CONCURRENT：當我們應用程序的堆內存達到一定量，或者可以理解為快要滿的時候，系統會自動觸發GC操作來釋放內存。

GC_EXPpCIT：表示是應用程序調用System.gc、VMRuntime.gc接口或者收到SIGUSR1信號時觸發的GC。

GC_BEFORE_OOM：表示是在準備拋OOM異常之前進行的最后努力而觸發的GC。

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