JVM 垃圾回收的工作原理

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對於程式設計師來說,掌握 Java 的記憶體管理機制並不是必須的,但它能夠幫助你更好地理解 JVM 是如何處理程式中的變數和類例項的。

Java 之所以能夠如此流行,自動 垃圾回收Garbage Collection(GC)功不可沒,它也是 Java 最重要的幾個特性之一。在這篇文章中,我將說明為什麼垃圾回收如此重要。本文的主要內容為:自動的分代垃圾回收、JVM 劃分記憶體的依據,以及 JVM 垃圾回收的工作原理。

Java 記憶體分配

Java 程式的記憶體空間被劃分為以下四個區域:

  • 堆區Heap:物件例項就是在這個區域分配的。不過,當我們宣告一個物件時,堆中不會發生任何記憶體分配,只是在棧中建立了一個物件的引用而已。
  • 棧區Stack:方法、區域性變數和類的例項變數就是在這個區域分配的。
  • 程式碼區Code:這個區域存放了程式的位元組碼。
  • 靜態區Static:這個區域存放了程式的靜態資料和靜態方法。

什麼是自動垃圾回收?

自動垃圾回收是這樣一個過程:首先,堆中的所有物件會被分類為“被引用的”和“未被引用的”;接著,“未被引用的物件”就會被做上標記,以待之後刪除。其中,“被引用的物件”是指程式中的某一部分仍在使用的物件,“未被引用的物件”是指目前沒有正在被使用的物件。

許多程式語言,例如 C 和 C++,都需要程式設計師手動管理記憶體的分配和釋放。在 Java 中,這一過程是通過垃圾回收機制來自動完成的(儘管你也可以在程式碼中呼叫 system.gc(); 來手動觸發垃圾回收)。

垃圾回收的基本步驟如下:

1、標記已使用和未使用的物件

在這一步驟中,已使用和未使用的物件會被分別做上標記。這是一個及其耗時的過程,因為需要掃描記憶體中的所有物件,才能夠確定它們是否正在被使用。

標記已使用和未使用的物件

2、掃描/刪除物件

有兩種不同的掃描和刪除演算法:

簡單刪除(標記清除):它的過程很簡單,我們只需要刪除未被引用的物件即可。但是,後續給新物件分配記憶體就會變得很困難了,因為可用空間被分割成了一塊塊碎片。

標記清除的過程

刪除壓縮(標記整理):除了會刪除未被引用的物件,我們還會壓縮被引用的物件(未被刪除的物件)。這樣以來,新物件的記憶體分配就相對容易了,並且記憶體分配的效率也有了提升。

標記整理的過程

什麼是分代垃圾回收,為什麼需要它?

正如我們在“掃描刪除”模型中所看到的,一旦物件不斷增長,我們就很難掃描所有未使用的物件以回收記憶體。不過,有一項實驗性研究指出,在程式執行期間建立的大多數物件,它們的存活時間都很短。

既然大多數物件的存活時間都很短,那麼我們就可以利用這個事實,從而提升垃圾回收的效率。該怎麼做呢?首先,JVM 將記憶體劃分為不同的“代”。接著,它將所有的物件都分類到這些記憶體“代”中,然後對這些“代”分別執行垃圾回收。這就是“分代垃圾回收”。

堆記憶體的“代”和分代垃圾回收過程

為了提升垃圾回收中的“標記清除”的效率,JVM 將對記憶體劃分成以下三個“代”:

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

Hotspot 堆記憶體結構

下面我將介紹每個“代”及其主要特徵。

新生代

所有建立不久的物件都存放在這裡。新生代被進一步分為以下兩個區域:

  1. 伊甸區Eden:所有新建立的物件都在此處分配記憶體。
  2. 倖存者區Survivor,分為 S0 和 S1:經歷過一次垃圾回收後,仍然存活的物件會被移動到兩個倖存者區中的一個。

物件分配

在新生代發生的分代垃圾回收被稱為 “次要回收Minor GC”(LCTT 譯註:也稱為“新生代回收Young GC”)。Minor GC 過程中的每個階段都是“停止世界Stop The World”(STW)的,這會導致其他應用程式暫停執行,直到垃圾回收結束。這也是次要回收更快的原因。

一句話總結:伊甸區存放了所有新建立的物件,當它的可用空間被耗盡,第一次垃圾回收就會被觸發。

填充伊甸區

次要回收:在該垃圾回收過程中,所有存活和死亡的物件都會被做上標記。其中,存活物件會被移動到 S0 倖存者區。當所有存活物件都被移動到了 S0,未被引用的物件就會被刪除。

拷貝被引用的物件

S0 中的物件年齡為 1,因為它們挺過了一次次要回收。此時,伊甸區和 S1 都是空的。

每當完成清理後,伊甸區就會再次接受新的存活物件。隨著時間的推移,伊甸區和 S0 中的某些物件被宣判死亡(不再被引用),並且伊甸區的可用空間也再次耗盡(填滿了),那麼次要回收 又將再次被觸發。

物件年齡增長

這一次,伊甸區和 S0 中的死亡和存活的物件會被做上標記。其中,伊甸區的存活物件會被移動到 S1,並且年齡增加至 1。S0 中的存活物件也會被移動到 S1,並且年齡增加至 2(因為它們挺過了兩次次要回收)。此時,伊甸區和 S0 又是空的了。每次次要回收之後,伊甸區和兩個倖存者區中的一個都會是空的。

新物件總是在伊甸區被建立,週而復始。當下一次垃圾回收發生時,伊甸區和 S1 都會被清理,它們中的存活物件會被移動到 S0 區。每次次要回收之後,這兩個倖存者區(S0 和 S1)就會交換一次。

額外年齡增長

這個過程會一直進行下去,直到某個存活物件的年齡達到了某個閾值,然後它就會被移動到一個叫做“老年代”的地方,這是通過一個叫做“晉升”的過程來完成的。

使用 -Xmn 選項可以設定新生代的大小。

老年代

這個區域存放著那些挺過了許多次次要回收,並且達到了某個年齡閾值的物件。

晉升

在上面這個示例圖表中,晉升的年齡閾值為 8。在老年代發生的垃圾回收被稱為 “主要回收Major GC”。(LCTT 譯註:也被稱為“全回收Full GC”)

使用 -Xms 和 -Xmx 選項可以分別設定堆記憶體大小的初始值和最大值。(LCTT 譯註:結合上面的 -Xmn 選項,就可以間接設定老年代的大小了。)

永久代

永久代存放著一些元資料,它們與應用程式、Java 標準環境以及 JVM 自用的庫類及其方法相關。JVM 會在執行時,用到了什麼類和方法,就會填充相應的資料。當 JVM 發現有未使用的類,就會解除安裝或是回收它們,從而為正在使用的類騰出空間。

使用 -XX:PermGen 和 -XX:MaxPerGen 選項可以分別設定永久代大小的初始值和最大值。

元空間

Java 8 引入了元空間Metaspace,並用它替換了永久代。這麼做的好處是自動調整大小,避免了 記憶體不足OutOfMemory(OOM)錯誤。

總結

本文討論了各種不同的 JVM 記憶體“代”,以及它們是如何在分代垃圾回收演算法中起作用的。對於程式設計師來說,掌握 Java 的記憶體管理機制並不是必須的,但它能夠幫助你更好地理解 JVM 處理程式中的變數和類例項的方式。這種理解使你能夠規劃和排除程式碼故障,並理解特定平臺固有的潛在限制。