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JVM 垃圾回收的工作原理

作者: Jayashree Huttanagoudar 译者: LCTT 六开箱

| 2022-06-22 09:42      

对于程序员来说,掌握 Java 的内存管理机制并不是必须的,但它能够帮助你更好地理解 JVM 是如何处理程序中的变量和类实例的。

Java 之所以能够如此流行,自动 垃圾回收Garbage Collection(GC)功不可没,它也是 Java 最重要的几个特性之一。在这篇文章中,我将说明为什么垃圾回收如此重要。本文的主要内容为:自动的分代垃圾回收、JVM 划分内存的依据,以及 JVM 垃圾回收的工作原理。

Java 内存分配

Java 程序的内存空间被划分为以下四个区域:

  1. 堆区Heap:对象实例就是在这个区域分配的。不过,当我们声明一个对象时,堆中不会发生任何内存分配,只是在栈中创建了一个对象的引用而已。
  2. 栈区Stack:方法、局部变量和类的实例变量就是在这个区域分配的。
  3. 代码区Code:这个区域存放了程序的字节码。
  4. 静态区Static:这个区域存放了程序的静态数据和静态方法。

什么是自动垃圾回收?

自动垃圾回收是这样一个过程:首先,堆中的所有对象会被分类为“被引用的”和“未被引用的”;接着,“未被引用的对象”就会被做上标记,以待之后删除。其中,“被引用的对象”是指程序中的某一部分仍在使用的对象,“未被引用的对象”是指目前没有正在被使用的对象。

许多编程语言,例如 C 和 C++,都需要程序员手动管理内存的分配和释放。在 Java 中,这一过程是通过垃圾回收机制来自动完成的(尽管你也可以在代码中调用 system.gc(); 来手动触发垃圾回收)。

垃圾回收的基本步骤如下:

1、标记已使用和未使用的对象

在这一步骤中,已使用和未使用的对象会被分别做上标记。这是一个及其耗时的过程,因为需要扫描内存中的所有对象,才能够确定它们是否正在被使用。

标记已使用和未使用的对象

2、扫描/删除对象

有两种不同的扫描和删除算法:

简单删除(标记清除):它的过程很简单,我们只需要删除未被引用的对象即可。但是,后续给新对象分配内存就会变得很困难了,因为可用空间被分割成了一块块碎片。

标记清除的过程

删除压缩(标记整理):除了会删除未被引用的对象,我们还会压缩被引用的对象(未被删除的对象)。这样以来,新对象的内存分配就相对容易了,并且内存分配的效率也有了提升。

标记整理的过程

什么是分代垃圾回收,为什么需要它?

正如我们在“扫描删除”模型中所看到的,一旦对象不断增长,我们就很难扫描所有未使用的对象以回收内存。不过,有一项实验性研究指出,在程序执行期间创建的大多数对象,它们的存活时间都很短。

既然大多数对象的存活时间都很短,那么我们就可以利用这个事实,从而提升垃圾回收的效率。该怎么做呢?首先,JVM 将内存划分为不同的“代”。接着,它将所有的对象都分类到这些内存“代”中,然后对这些“代”分别执行垃圾回收。这就是“分代垃圾回收”。

堆内存的“代”和分代垃圾回收过程

为了提升垃圾回收中的“标记清除”的效率,JVM 将对内存划分成以下三个“代”:

  • 新生代Young Generation
  • 老年代Old Generation
  • 永久代Permanent Generation

Hotspot 堆内存结构

下面我将介绍每个“代”及其主要特征。

新生代

所有创建不久的对象都存放在这里。新生代被进一步分为以下两个区域:

  1. 伊甸区Eden:所有新创建的对象都在此处分配内存。
  2. 幸存者区Survivor,分为 S0 和 S1:经历过一次垃圾回收后,仍然存活的对象会被移动到两个幸存者区中的一个。

对象分配

在新生代发生的分代垃圾回收被称为 “次要回收Minor GC”(LCTT 译注:也称为“新生代回收Young GC”)。Minor GC 过程中的每个阶段都是“停止世界Stop The World”(STW)的,这会导致其他应用程序暂停运行,直到垃圾回收结束。这也是次要回收更快的原因。

一句话总结:伊甸区存放了所有新创建的对象,当它的可用空间被耗尽,第一次垃圾回收就会被触发。

填充伊甸区

次要回收:在该垃圾回收过程中,所有存活和死亡的对象都会被做上标记。其中,存活对象会被移动到 S0 幸存者区。当所有存活对象都被移动到了 S0,未被引用的对象就会被删除。

拷贝被引用的对象

S0 中的对象年龄为 1,因为它们挺过了一次次要回收。此时,伊甸区和 S1 都是空的。

每当完成清理后,伊甸区就会再次接受新的存活对象。随着时间的推移,伊甸区和 S0 中的某些对象被宣判死亡(不再被引用),并且伊甸区的可用空间也再次耗尽(填满了),那么次要回收 又将再次被触发。

对象年龄增长

这一次,伊甸区和 S0 中的死亡和存活的对象会被做上标记。其中,伊甸区的存活对象会被移动到 S1,并且年龄增加至 1。S0 中的存活对象也会被移动到 S1,并且年龄增加至 2(因为它们挺过了两次次要回收)。此时,伊甸区和 S0 又是空的了。每次次要回收之后,伊甸区和两个幸存者区中的一个都会是空的。

新对象总是在伊甸区被创建,周而复始。当下一次垃圾回收发生时,伊甸区和 S1 都会被清理,它们中的存活对象会被移动到 S0 区。每次次要回收之后,这两个幸存者区(S0 和 S1)就会交换一次。

额外年龄增长

这个过程会一直进行下去,直到某个存活对象的年龄达到了某个阈值,然后它就会被移动到一个叫做“老年代”的地方,这是通过一个叫做“晋升”的过程来完成的。

使用 -Xmn 选项可以设置新生代的大小。

老年代

这个区域存放着那些挺过了许多次次要回收,并且达到了某个年龄阈值的对象。

晋升

在上面这个示例图表中,晋升的年龄阈值为 8。在老年代发生的垃圾回收被称为 “主要回收Major GC”。(LCTT 译注:也被称为“全回收Full GC”)

使用 -Xms 和 -Xmx 选项可以分别设置堆内存大小的初始值和最大值。(LCTT 译注:结合上面的 -Xmn 选项,就可以间接设置老年代的大小了。)

永久代

永久代存放着一些元数据,它们与应用程序、Java 标准环境以及 JVM 自用的库类及其方法相关。JVM 会在运行时,用到了什么类和方法,就会填充相应的数据。当 JVM 发现有未使用的类,就会卸载或是回收它们,从而为正在使用的类腾出空间。

使用 -XX:PermGen 和 -XX:MaxPerGen 选项可以分别设置永久代大小的初始值和最大值。

元空间

Java 8 引入了元空间Metaspace,并用它替换了永久代。这么做的好处是自动调整大小,避免了 内存不足OutOfMemory(OOM)错误。

总结

本文讨论了各种不同的 JVM 内存“代”,以及它们是如何在分代垃圾回收算法中起作用的。对于程序员来说,掌握 Java 的内存管理机制并不是必须的,但它能够帮助你更好地理解 JVM 处理程序中的变量和类实例的方式。这种理解使你能够规划和排除代码故障,并理解特定平台固有的潜在限制。

正文配图来自:Jayashree Huttanagoudar,CC BY-SA 4.0


via: https://opensource.com/article/22/6/garbage-collection-java-virtual-machine

作者:Jayashree Huttanagoudar 选题:lkxed 译者:lkxed 校对:wxy

本文由 LCTT 原创编译,Linux中国 荣誉推出



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