【Java】刚刚！突然！紧急通知！垃圾回收！

文章目录

【Java】刚刚！突然！紧急通知！垃圾回收！
- 从C语言的内存管理引入：手动回收
- Java的垃圾回收机制
- - 引用计数器
  - - 循环引用问题
  - 可达性分析法与GC Root
  - - GC Root的典型例子
  - 标记-清除算法
  - - 优点
    - 缺点
  - 复制算法
  - - 工作原理
    - 优点
    - 缺点
  - 标记-整理算法
  - - 工作原理
    - 优点
    - 缺点
  - 应用场景
  - 分代回收机制
  - - 堆内存的分代
    - 各代的垃圾回收策略
    - - 新生代垃圾回收（Minor GC）
      - 老年代垃圾回收（Major GC 或 Full GC）
  - 结语

本文将先简要介绍C语言的手动内存回收机制，然后深入探讨Java的垃圾回收（GC）机制，包括引用计数器、可达性分析法、GC root、标记-清除算法、复制算法、标记-整理算法以及分代回收机制。

从C语言的内存管理引入：手动回收

首先让我们从C语言说起，在C语言中，我们需要手动管理内存的分配和释放。这一需求主要通过malloc、calloc、realloc和free函数来实现：

malloc：用于动态分配内存。
calloc：类似于malloc，在分配内存的同时，初始化分配的内存块为零。
realloc：用于调整先前分配的内存块的大小。（重置内存块大小）
free：用于释放动态分配的内存。

虽然这种手动管理提供了很大的灵活性，但也容易导致内存泄漏（未释放不再使用的内存）和悬挂指针（指向已释放内存的指针）。这就需要我们特别小心，确保每一块动态分配的内存都能被适时释放。

笔者在底下提供了一个C语言链表的示例，当我们创建一个链表时：

我们使用malloc，为结点结构体的指针分配内存。

而在删除节点时，我们采用free函数来进行内存的释放。

Java的垃圾回收机制

与C语言不同，Java提供了自动内存管理功能。Java的垃圾回收机制旨在自动回收不再使用的对象所占用的内存，从而减轻程序员的负担并提高内存管理的安全性。

引用计数器

最简单的垃圾回收机制之一是引用计数器。它通过维护每个对象的引用计数来跟踪对象是否可以被回收：

引用计数增加：每当一个新的引用指向对象时，引用计数加1。
引用计数减少：每当一个引用被销毁或被设置为指向另一个对象时，引用计数减1。
回收对象：当对象的引用计数变为0时，说明该对象不再被使用，可以被回收。

然而，引用计数器存在一个明显的缺点，即无法处理循环引用（两个对象相互引用）。

循环引用问题

接下来我们介绍循环引用，其实从字面意思就可以理解循环引用的含义，我们看如下示例：

class Node {Node next;
}Node a = new Node();
Node b = new Node();
a.next = b;
b.next = a;

在这个例子中，a对象中包含一个b对象的成员变量，而b对象中间包含一个a对象的成员变量，此时两个成员变量的引用计数器都是2。

在这个例子中，即使a和b对象的引用离开了作用域，它们的引用计数器仍然不为0（因为它们互相引用），导致内存泄漏。

为了解决这样的循环引用问题，我们引入新的垃圾回收算法：可达性分析法。

可达性分析法与GC Root

要理解可达性分析法，首先我们可以看一下GC Root的概念。

二叉树大家肯定都知道，GC Root实际上就是一种垃圾回收的树形结构的根节点。我们通过一组被称为GC Root的根对象作为起点，沿着这些根对象的引用链进行搜索。如果一个对象能从GC Root到达，那么它就是可达的（alive），否则就是不可达的，可以被回收。

GC Root：通常包括当前在栈中引用的对象、静态变量引用的对象以及JNI（Java Native Interface）引用的对象等。
可达对象：从GC Root开始，所有可以通过引用链访问到的对象都是可达的。
不可达对象：如果一个对象没有从GC Root出发的任何引用链到达，则认为该对象是不可达的，可以被回收。

GC Root的典型例子

虚拟机栈中的引用对象：如栈帧中的局部变量和输入参数。
方法区中的静态引用：如类的静态属性。
方法区中的常量引用：如常量池中的引用。

标记-清除算法

标记-清除算法是最早且最基本的垃圾回收算法之一。标记-清除算法分为两个阶段：标记阶段和清除阶段。

标记阶段：
- 从GC Root集合开始，遍历对象引用图，标记所有可达的对象。
- 标记过程通常是递归的，沿着对象引用链进行，直到所有可达的对象都被标记。
清除阶段：
- 遍历堆中的所有对象，回收未被标记的对象。
- 未标记的对象被认为是不可达的，可以被垃圾回收器回收。

优点

简单直接：算法简单，易于实现。
无需移动对象：对象在内存中的位置不会改变，减少了对象移动的开销。

缺点

内存碎片：清除阶段后，未被回收的对象会在堆中留下许多空闲区域，导致内存碎片。频繁的内存碎片会降低内存分配效率。
标记和清除过程需要遍历所有对象：在大堆内存中，遍历所有对象可能导致较长的暂停时间。

复制算法

工作原理

复制算法将堆内存分为两部分，通常是等大小的两个半区：From空间和To空间。垃圾回收时，仅使用其中一个半区，另一个半区作为备用空间。

分配阶段：
- 对象只在From空间中分配内存。
- To空间为空闲的，等待垃圾回收。
复制和清理阶段：
- 从GC Root开始，遍历所有可达的对象，并将它们复制到To空间。
- 复制过程中，保持对象的引用关系。
- 完成复制后，From空间中的所有对象被认为是不可达的，可以被回收。
- 交换From和To空间的角色，下一次分配和垃圾回收使用新的From空间。
示例：

假设有A块等待垃圾回收：

回收之后会变成~：

优点

无内存碎片：对象被紧凑地复制到新的空间，不会留下内存碎片。
分配速度快：由于始终从一个连续的空闲区域分配内存，分配速度很快。

缺点

内存利用率低：由于堆内存被划分为两个半区，同时只使用一半内存，导致内存利用率低。
对象复制开销：复制对象到新的空间需要额外的开销，特别是当对象较多时。

标记-整理算法

标记-整理算法（Mark-Compact Algorithm）是一种改进的垃圾回收算法，用于解决标记-清除算法产生的内存碎片问题。它结合了标记-清除和复制算法的优点，通过整理内存来提高内存分配效率。下面将详细分析标记-整理算法的工作原理、优缺点及其适用场景。

工作原理

标记-整理算法也分为两个主要阶段：标记阶段和整理阶段。

标记阶段：
- 从GC Root集合开始，遍历对象引用图，标记所有可达的对象。
- 这一步与标记-清除算法中的标记阶段相同，标记过程是递归的，沿着对象引用链进行，直到所有可达的对象都被标记。
整理阶段：
- 遍历整个堆，将所有存活的对象向一端移动（通常是堆的起始位置），保持对象之间的紧密排列。
- 更新所有对象的引用，以反映它们的新位置。
- 移动完成后，释放未被标记对象的内存，未被标记的对象被回收，形成一块连续的空闲区域。

优点

无内存碎片：对象被紧密排列在一起，没有内存碎片，提高了内存利用率。
高效的内存分配：由于所有存活对象被移动到堆的一端，剩下的内存是连续的，内存分配速度更快。
适用于长生命周期对象：尤其适合老年代（Old Generation）的垃圾回收，因为老年代对象生命周期较长，不需要频繁移动。

缺点

对象移动开销：整理阶段需要移动对象，并更新引用，增加了额外的开销，尤其是在老年代中存活对象较多时。
暂停时间长：标记和整理过程会导致应用暂停，可能影响实时性要求较高的应用。

标记-整理算法减少了内存碎片化，同时避免了复制算法中需要双倍内存的缺点。

应用场景

标记-清除算法：适用于内存紧张、不希望频繁移动对象的场景，如老年代（Old Generation）的垃圾回收。
复制算法：适用于对象生命周期短、需要快速回收的场景，如新生代（Young Generation）的垃圾回收。JVM中的新生代垃圾回收器通常使用复制算法。
标记-整理算法：对象较大且数量较多的场景，当对象较大且数量较多时，标记-整理算法可以通过紧凑排列对象，减少内存浪费，提高内存利用率。

分代回收机制

分代回收机制的核心思想是将堆内存划分为几个代，根据对象的生命周期长短来进行不同的管理和回收。大多数对象的生命周期很短，少数对象存活时间较长。通过这种划分，可以有针对性地采用不同的垃圾回收算法，提高回收效率和性能。

堆内存的分代

JVM中的堆内存通常划分为以下几代：

新生代（Young Generation）：

Eden区：所有新创建的对象首先分配在Eden区。
两个Survivor区（S0和S1）：用于在新生代中进行对象复制和存活对象的管理。每次垃圾回收时，存活的对象从Eden区和一个Survivor区复制到另一个Survivor区。

老年代（Old Generation）：存活时间较长、从新生代晋升的对象存放在老年代。

永久代（PermGen）或元空间（Metaspace）：存储类的元数据（方法、类结构等）。在Java 8之前为永久代（PermGen），Java 8及之后为元空间（Metaspace）。

各代的垃圾回收策略

新生代垃圾回收（Minor GC）

新生代的垃圾回收频繁，通常采用复制算法（Copying Algorithm）。当Eden区填满时，触发Minor GC：

存活对象复制：存活的对象从Eden区和一个Survivor区复制到另一个Survivor区。
对象晋升：当对象经过多次Minor GC后依然存活（达到一定年龄），或Survivor区空间不足时，存活对象晋升到老年代。
Eden区清空：所有存活对象复制后，Eden区和一个Survivor区被清空，另一个Survivor区保留存活对象。

Minor GC的频率较高，但由于新生代对象生命周期短，存活对象少，因此回收速度较快。

老年代垃圾回收（Major GC 或 Full GC）

老年代的垃圾回收通常采用标记-整理算法（Mark-Compact Algorithm）或标记-清除算法（Mark-Sweep Algorithm）：

标记阶段：从GC Root开始，标记所有可达的对象。
整理阶段（标记-整理算法）：将所有存活对象向一端移动，保持对象之间的紧密排列，释放未标记对象的内存。
清除阶段（标记-清除算法）：回收未标记对象的内存，但可能产生内存碎片。

Major GC或Full GC的频率较低，但由于老年代对象较多且存活时间长，回收过程较慢，可能导致较长的暂停时间。

结语

Java的垃圾回收机制通过自动化内存管理，极大地减轻了开发者的负担，同时提升了程序的安全性和稳定性。尽管Java的GC机制复杂多样，但其核心思想都是为了更高效地管理内存，避免内存泄漏和碎片化。

许多现代编程语言，如Java、C#、Python等，都内置了垃圾回收机制。通过学习垃圾回收，可以更深入地理解这些语言的设计思想和实现细节。不同语言的垃圾回收机制有所不同，了解这些差异可以帮助我们在具体语言中应用最佳实践，编写高效的代码。

此后，笔者还会介绍Java中的垃圾回收器相关知识，以及有可能的JVM调优。

参考资料与文献：

20、垃圾回收算法之可达性分析法和GC Roots是什么？_哔哩哔哩_bilibili

【JVM】万字长文！深入详解Java垃圾回收（GC）机制_java gc-CSDN博客

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