Java虚拟机原理（上）-揭秘Java GC黑匣子-知其所以然,从此不再捆手捆脚

以上内容涵盖了GC的常见知识，但Java GC为主题的探讨绝不止于此。比如说，JDK中还引入了全新的ZGC算法，用于低延迟处理;G1作为一种优秀的分代实现，如何工作;怎样有效地配置GC参数…等等，这些都是值得我们去学习和思考的重要话题。

w风雨无阻w

1053人浏览 · 2024-05-24 08:20:09

w风雨无阻w · 2024-05-24 08:20:09 发布

对于Java开发者来说，GC(垃圾回收器)就如同一个神秘的黑匣子，它在背后不知疲倦地运作，却也时常给我们带来诸多疑惑和挫折。今天，就让我们切开这个黑匣子，深入解析Java GC的工作原理，助你了解其中的奥秘，从此不再被GC所扰。

这篇文章的主要内容包括:

对象存活判断及引用类型辨析
三种主流GC算法的原理和特点
如何正确解读GC日志

一、对象存活与引用类型

在深入GC算法前，我们先了解一下Java中对象的生命周期。通过判断对象是否可被访问，JVM会决定其是否会被回收。这里涉及一个重要的概念——引用。

1、对象的生命周期

对象的生命周期开始于它的创建，结束于它的回收。在Java中，对象的回收由垃圾回收器（GC）负责，GC会根据引用的类型和数量来决定何时回收对象。

强引用(Strong Reference) - 最普通的对象引用方式，只要存在强引用指向对象，它就不会被GC回收。
软引用(Soft Reference) - 有时候用于实现内存敏感的高速缓存，当内存不足时会被GC回收。
弱引用(Weak Reference) - 如WeakHashMap所使用，即使没被GC回收，也可能会被回收。
虚引用(Phantom Reference) - 最弱的引用，唯一目的是能在对象被GC回收时收到系统通知。

理解了引用类型，我们就能判断对象在何种情况下会被回收。比如，当一个对象没有任何强引用指向它，那它就处于可被回收状态。

### 2、强引用（Strong Reference）

定义：强引用是最常见的引用类型，如果一个对象具有强引用，那么它永远不会被垃圾回收器回收，直到这个引用被显式地设置为null。
示例：

Object obj = new Object();
// obj是一个强引用，只要obj存在，对象就不会被回收

3、软引用（Soft Reference）

定义：软引用用来描述一些有用但非必需的对象。当系统内存不足时，这些对象会被垃圾回收器回收。
用途：软引用通常用于实现内存敏感的缓存。
示例：

import java.lang.ref.SoftReference;

Object obj = new Object();
SoftReference<Object> softRef = new SoftReference<>(obj);
obj = null; // 显式地清空强引用

// 当系统内存不足时，软引用指向的对象可能会被回收
if (softRef.get() == null) {
    System.out.println("对象已被回收");
}

4、弱引用（Weak Reference）

定义：弱引用不足以阻止对象的垃圾回收。也就是说，只要垃圾回收器发现了弱引用，不管当前内存是否足够，都会回收其指向的对象。
用途：弱引用通常用于监听对象的消失，例如，用于实现弱键（WeakHashMap）。
示例：

import java.lang.ref.WeakReference;

Object obj = new Object();
WeakReference<Object> weakRef = new WeakReference<>(obj);
obj = null; // 显式地清空强引用

// 对象几乎立即会被回收，因为弱引用不会阻止垃圾回收
if (weakRef.get() == null) {
    System.out.println("对象已被回收");
}

5、虚引用（Phantom Reference）

定义：虚引用是最弱的一种引用类型。一个对象是否有虚引用的存在，完全不会对其生存时间构成影响，也无法通过虚引用来获取一个对象的实例。
用途：虚引用主要用于在对象被回收后收到一个系统通知，用来跟踪对象被垃圾回收的状态。
示例：

import java.lang.ref.PhantomReference;
import java.lang.ref.ReferenceQueue;

Object obj = new Object();
PhantomReference<Object> phantomRef = new PhantomReference<>(obj， new ReferenceQueue<Object>());
obj = null; // 显式地清空强引用

// 虚引用可以注册到引用队列上
// 当对象被回收后，虚引用会被放入引用队列
if (phantomRef.isEnqueued()) {
    System.out.println("对象已被回收");
}

二、三种主流GC算法原理

JVM的GC算法负责探测并回收上述可回收的对象，以释放内存空间。目前主流的GC算法主要有以下三种:

1、标记-清除（Mark-Sweep）算法原理

这是最基础和常见的GC算法。

（1）、它分两个阶段工作

标记阶段（Marking Phase）：
- 垃圾回收器从根对象（如类变量、局部变量等）开始，递归地访问所有可达的对象。
- 所有被访问到的对象都会被标记为“存活”。
清除阶段（Sweeping Phase）
- 在标记阶段结束后，垃圾回收器会遍历堆内存。
- 对于未被标记的对象，垃圾回收器会认为它们是“垃圾”，并进行回收。
- 清除后，这些内存空间会被重新整理，为新对象的分配做准备。

（2）、标记-清除算法的问题

内存碎片：清除阶段可能会导致内存碎片，因为回收的对象可能不是连续的。
效率问题：标记和清除阶段可能需要暂停整个应用程序（Stop-The-World，STW），影响性能。

（3）、Java案例代码演示

下面演示了标记-清除算法的工作原理：

public class MarkSweepDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一些对象
        Object obj1 = new Object();
        Object obj2 = new Object();
        Object obj3 = new Object();

        // 假设obj1和obj2是根对象，它们被标记为存活
        // obj3没有被根对象直接或间接引用，将被标记为垃圾

        // 模拟标记阶段
        mark(obj1); // 标记obj1
        mark(obj2); // 标记obj2
        // obj3不会被标记

        // 模拟清除阶段
        sweep();

        // 检查对象是否被回收
        System.out.println("obj1 is alive: " + (obj1 == null ? "No" : "Yes"));
        System.out.println("obj2 is alive: " + (obj2 == null ? "No" : "Yes"));
        System.out.println("obj3 is alive: " + (obj3 == null ? "No" : "Yes"));
    }

    // 模拟标记过程
    private static void mark(Object obj) {
        // 这里只是模拟，实际的标记过程由GC执行
        System.out.println(obj + " is marked as alive.");
    }

    // 模拟清除过程
    private static void sweep() {
        // 清除未被标记的对象，这里只是模拟
        System.out.println("Sweeping phase: clearing unmarked objects.");
    }
}

在这个示例中，我们创建了三个对象obj1、obj2和obj3。在模拟的标记阶段，obj1和obj2被标记为存活，而obj3没有被标记。在模拟的清除阶段，未被标记的obj3将被“回收”（在实际的Java程序中，对象的回收是由JVM的垃圾回收器自动完成的）。

请注意，这个示例只是为了演示标记-清除算法的原理，并不是实际的Java垃圾回收过程。在实际的Java程序中，你不需要手动进行标记和清除，这些工作都是由JVM自动完成的。

2、复制(Copying)

复制（Copying）算法，也被称为“半区算法”或“新生代算法”，是一种简单且高效的垃圾回收算法，尤其适用于对象生命周期短的场景，如Java中的新生代（Young Generation）。

复制算法将堆内存分为两个相等的区域：一个用于分配新对象（称为From区），另一个用于垃圾回收时的复制操作（称为To区）。

// 初始内存布局
// ----容器1----      ----容器2----
// [obj1，obj2]          []

// 进行GC后
// ----容器1----      ----容器2----  
//    []              [obj1，obj2]

（1）、算法的步骤如下

对象分配：
- 新对象首先在From区分配。
标记阶段：
- 从根对象开始，标记所有存活的对象。这一步与标记-清除算法相同。
复制阶段：
- 将所有存活的对象从From区复制到To区，同时更新所有引用，使其指向To区的新位置。
- 复制完成后，From区的所有对象都可以被清除。
角色交换：
- 复制完成后，From区和To区的角色互换。新的To区变为新的From区，用于下一次垃圾回收。

（2）、复制算法的优点

内存碎片问题：由于每次回收后都会进行复制，因此不会产生内存碎片。
简单高效：复制算法实现简单，且在对象生命周期短的情况下效率很高。

(3)、复制算法的缺点
内存空间浪费：由于需要两个区域，因此需要额外的内存空间。
复制开销：复制存活对象需要一定的时间开销。

（4）、Java案例代码演示

下面代码演示了复制算法的工作原理：

public class CopyingGCDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 模拟From区和To区
        Object[] fromArea = new Object[10];
        Object[] toArea = new Object[10];

        // 假设fromArea中前5个对象是新分配的
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            fromArea[i] = new Object();
        }

        // 模拟标记阶段
        mark(fromArea);

        // 模拟复制阶段
        int toIndex = 0;
        for (int i = 0; i < fromArea.length; i++) {
            if (fromArea[i] != null) {
                toArea[toIndex++] = fromArea[i];
            }
        }

        // 角色交换
        fromArea = toArea;
        toArea = new Object[10]; // 为下一次回收准备新的To区

        // 检查对象是否被复制
        for (int i = 0; i < fromArea.length; i++) {
            if (fromArea[i] != null) {
                System.out.println("Object at index " + i + " is alive and copied.");
            }
        }
    }

    // 模拟标记过程
    private static void mark(Object[] area) {
        // 这里只是模拟，实际的标记过程由GC执行
        for (Object obj : area) {
            if (obj != null) {
                System.out.println(obj + " is marked as alive.");
            }
        }
    }
}

在这个示例中，我们使用两个数组fromArea和toArea来模拟From区和To区。我们首先在fromArea中分配了一些新对象，然后模拟了标记阶段，接着将存活的对象复制到toArea，并更新索引。最后，我们交换了fromArea和toArea的角色，准备下一次垃圾回收。

请注意，这个示例只是为了演示复制算法的原理，并不是实际的Java垃圾回收过程。在实际的Java程序中，你不需要手动进行复制，这些工作都是由JVM的垃圾回收器自动完成的。

3、标记-整理(Mark-Compact)

标记-整理算法是垃圾回收中的另一种算法，它结合了标记-清除算法和复制算法的优点，旨在解决清除算法中的内存碎片问题。

（1）、标记-整理算法三个阶段

标记阶段（Marking Phase）
- 从根对象开始，递归地标记所有可达对象。被标记的对象被认为是存活的。
整理阶段（Compacting Phase）：
- 将所有存活的对象向内存的一端移动，未被标记的对象则被忽略。
- 移动对象时，会更新所有指向这些对象的引用，确保它们指向新的位置。
清除阶段（Clearing Phase）（可选）：
- 在整理完成后，可能需要清除未被移动的对象占用的空间，以避免内存碎片。

// 初始内存布局
// ----内存区----
// [obj1，  ，obj2， ，  ，  ，obj3]

// 标记整理后
// ----内存区----  
// [obj1，obj2，obj3，        ]

（2）、标记-整理算法的优点

内存碎片：通过整理阶段，可以减少或消除内存碎片。
内存利用率：由于整理了存活对象，所以可以更有效地利用内存空间。

（3）、标记-整理算法的缺点

移动开销：移动对象和更新引用需要额外的时间开销。
暂停时间：标记和整理阶段可能需要暂停应用程序，影响性能。

（4）、案例代码演示

以下模拟了标记-整理算法的工作原理。

public class MarkCompactDemo {
    static class ObjectWithIndex {
        Object object;
        int index;

        ObjectWithIndex(Object object， int index) {
            this.object = object;
            this.index = index;
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        // 假设有5个对象，其中3个是存活的
        Object[] objects = new Object[5];
        objects[0] = new Object();
        objects[1] = new Object();
        objects[2] = new Object();
        objects[3] = null; // 假设这个对象是垃圾
        objects[4] = new Object();

        // 模拟根引用
        Object root = objects[0];

        // 标记阶段
        mark(objects， root);

        // 整理阶段
        int newIndex = 0;
        for (int i = 0; i < objects.length; i++) {
            if (objects[i] != null) {
                objects[newIndex] = objects[i];
                objects[i] = null; // 清除原位置
                newIndex++;
            }
        }

        // 清除阶段（可选）
        // 在实际的GC中，这一步通常由垃圾回收器自动完成

        // 输出整理后的对象
        for (int i = 0; i < newIndex; i++) {
            System.out.println("Object at index " + i + " is alive.");
        }
    }

    private static void mark(Object[] objects， Object root) {
        // 使用一个集合来记录已访问的对象
        HashSet<Object> marked = new HashSet<>();

        // 使用队列模拟递归过程
        Queue<Object> queue = new LinkedList<>();
        queue.add(root);

        while (!queue.isEmpty()) {
            Object current = queue.poll();
            if (marked.add(current)) { // 如果对象未被标记
                for (int i = 0; i < objects.length; i++) {
                    if (objects[i] == current) {
                        System.out.println("Object at index " + i + " is marked as alive.");
                        break;
                    }
                }
                // 假设current对象有引用属性，模拟递归标记
                // 这里简化处理，实际情况需要根据对象的实际引用进行标记
            }
        }
    }
}

在这个示例中，我们创建了一个对象数组objects，其中包含几个对象和一个null。我们模拟了一个根对象root，它引用了数组中的第一个对象。mark方法模拟了标记阶段，使用一个队列和一个集合来递归地标记所有可达对象。然后，我们在main方法中模拟了整理阶段，将所有存活的对象移动到数组的开始位置，并清除了原位置。

请注意，这个示例仅用于演示标记-整理算法的基本原理，实际的Java垃圾回收过程要复杂得多，并且由JVM自动管理。

三、解读GC日志

理解了垃圾回收的原理后，我们来看看如何解读GC日志。

GC（Garbage Collection）日志是Java虚拟机（JVM）在执行垃圾回收时生成的日志信息，它记录了GC的触发时间、持续时间、回收的内存量、使用的GC算法等信息。通过分析GC日志，我们可以了解应用的内存使用情况，发现潜在的问题和性能瓶颈。

1、如何开启GC日志

在Java应用启动时，可以通过设置JVM参数来开启GC日志：

-XX:+PrintGC
-XX:+PrintGCDetails
-XX:+PrintGCDateStamps
-XX:+PrintGCTimeStamps

PrintGC：打印GC发生的基本日志。
PrintGCDetails：打印GC的详细日志。
PrintGCDateStamps：在日志中包含日期时间戳。
PrintGCTimeStamps：在日志中包含自JVM启动以来的时间戳。

2、GC日志的关键信息

时间戳：GC事件发生的时间。
GC类型：如Minor GC（新生代回收）、Full GC（全堆回收）等。
持续时间：GC事件持续的时间。
回收前后的内存使用情况：包括新生代、老年代等内存区域的内存使用情况。
GC原因：触发GC的原因，如分配失败、系统内存不足等。

3、解读GC日志示例

假设我们有以下GC日志片段：

2024-05-23T14:37:12.123+0000 [GC [PSYoungGen: 73328K->6336K(94208K)] 73328K->6336K(190464K)， 0.003602 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00， real=0.00 secs] 
2024-05-23T14:37:12.126+0000 [Full GC [PSYoungGen: 6336K->0K(94208K)] [ParOldGen: 0K->5120K(95296K)] 6336K->5120K(189504K)， [Metaspace: 3258K->3258K(1056768K)]， 0.006773 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00， real=0.01 secs]

解读：

（1）、时间戳：