JVM（十四）垃圾回收的一些额外点

JVM（十四）垃圾回收的一些额外点

1 System.gc()的理解

• 在默认情况下，通过System.gc()或者Runtime.getRuntime().gc()的调用，会显式触发Full GC，同时对老年代和新生代进行回收，尝试释放被丢弃对象占用的内存
• System.gc()调用附带一个免责声明，无法保证对垃圾收集器的调用
• JVM可以通过System.gc()的调用来决定JVM的GC行为，但是一般情况下垃圾回收都是自动进行的，无需手动触发

​ 如下代码，控制器有时会打印有时则不会打印相关内容，但是打开System.runFinalization()的注释之后，每次就一定会打印该内容。

public class SystemGCTest {
    public static void main(String[] args) {
        new SystemGCTest();
        System.gc();
		// System.runFinalization();
    }

    @Override
    protected void finalize() throws Throwable {
        super.finalize();
        System.out.println("调用了finalize()");
    }
}

• 调用System.runFinalization()实际上等效于调用Runtime.getRuntime().runFinalization()
• 该方法会强制调用已经失去引用的对象的finalize方法

手动gc理解不可达对象的回收行为

public class LocalVarGC {
    // youngGC不会回收，最终放入老年代
    public void localVarGC1() {
        byte[] buffer = new byte[10 * 1024 * 1024];
        System.gc();
    }

    // youngGC就会回收
    public void localVarGC2() {
        byte[] buffer = new byte[10 * 1024 * 1024];
        buffer = null;
        System.gc();
    }

    // youngGC不会回收，最终放入老年代
    public void localVarGC3() {
        {
            byte[] buffer = new byte[10 * 1024 * 1024];
        }
        System.gc();
    }

    // youngGC就会回收
    public void localVarGC4() {
        {
            byte[] buffer = new byte[10 * 1024 * 1024];
        }
        int value = 10;
        System.gc();
    }

    // localVarGC1()的youngGC不会回收，最终放入老年代，随后第二次YGC则会回收
    public void localVarGC5() {
        localVarGC1();
        System.gc();
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        LocalVarGC localVarGC = new LocalVarGC();
        localVarGC.localVarGC5();
    }
}

​ 对于localVarGC4()和localVarGC5()，首先localVarGC4()会被回收而localVarGC3()不会，可以通过jclasslib看一下两个方法栈帧的局部变量表：

​ 可以看到两个局部变量表的大小都是2（localVarGC3()的第一个局部变量由于在代码块里面，所以超出作用域不显示在局部变量表里面，但是并没有删除这个局部变量，而是在出现新的局部变量的时候覆盖掉这个slot插槽），这也是localVarGC4()的value显示在位置1的原因，因此根据可达性分析localVarGC3()的引用变量指向的堆中的对象不会被回收，而localVarGC4()会。

​ localVarGC5()就很好理解了，localVarGC1()的调用结束，意味着整个localVarGC1()栈帧出栈，其中的局部变量表将从GC Roots中移除，根据可达性分析算法，自然会回收掉堆中相应的对象。

2 内存溢出与内存泄露

2.1 内存溢出

• 内存溢出（Out Of Memory）指的是没有空闲的内存空间，并且垃圾回收器也无法提供更多的内存的情况

• 主要的原因有两个：

  • Java虚拟机设置的堆内存不够
  • 代码中创建了大量的大对象，并且长时间不能被垃圾收集器收集

  老版本的jdk永久代在堆中，因此经常出现java.lang.OutOfMemoryError:PermGen space，而随着元数据区的引入，直接内存不足的时候，就会出现java.lang.OutOfMemoryError:MetaSpace

• 通常在OOM之前，都会触发一次垃圾收集器的垃圾清除，如尝试回收软引用指向的对象，仍然不足则报OOM

• 当一个超大的对象的大小超过堆的最大值的时候，就不会触发垃圾收集器而是直接报OOM

2.2 内存泄露

• 内存泄露是指对象已经不会被应用程序用到了，但是垃圾回收器又不能回收它们的情况
• 内存泄露不会立刻引起程序崩溃，而是在耗尽内存的时候会出现内存溢出
• 例如：
  • 单例模式，单例的生命周期和应用程序是一样长的，而当当前单例程序中，如果持有对外部对象的引用的话，那么这个外部对象就不能被回收了，从而导致内存泄露
  • 一些提供关闭的资源未关闭导致垃圾泄露，如数据库连接、网络连接、IO等

3 Stop The World

• Stop The World简称STW，指的是在GC时间发生过程中，会使整个应用程序暂停
  • 具体来说，是GC过程的垃圾标记阶段的根可达性分析算法（GC Roots）导致的Java执行线程的停顿，这是由于：
    • 分析工作必须在一个能够保证一致性的快照中进行
    • 如果出现分析过程中对象的引用关系还在不断变化，则分析结果的准确性将无法保证
• 被STW中端的应用程序将在完成GC后恢复，频繁GC将影响系统的停歇，因此要减少STW的发生
• STW跟采用哪种垃圾回收器无关，所有的GC都存在
  • 哪怕是G1也不能避免STW，只是尽可能缩短暂停时间
• STW是JVM在后台自动发起、完成的，是在用户不可见的情况下把用户正常工作线程全部停掉
• 尽量不要使用System.gc()，会导致STW

4 垃圾回收的并发与并行

​ 立即回收器的并行与并发，指的是：

• 并行（Parallel）：指多条垃圾收集线程并行工作，但此时用户线程仍处于等待状态
• 串行（Serial）：如果内存不足，则程序暂停启动JVM垃圾收集器单线程执行进行垃圾回收，回收完成后再启动程序的线程

• 并发（Concurrent）：指用户线程和垃圾收集线程并发工作（不一定是并行的，也有可能是交替执行），垃圾回收线程在执行的时候不会暂停用户程序的执行
  • 用户程序在执行，而垃圾回收器运行在另外的CPU核心
  • 如CMS、G1

5 安全点与安全区域

• 安全点（safe point）：程序执行过程中并非所有地方都能停顿下来GC，只有在特定位置才能停顿进行GC，这些位置称作安全点（safe point）

  safe point的选择很重要，如果太少可能导致GC等待的时间太长，太多则可能导致性能问题。

  通常情况下会根据“是否具有让程序长时间执行的特征”为标准进行选择，比如选择一些执行时间较长的指令作为Safe Point，如方法调用、循环跳转和异常跳转等

• 怎么在GC发生之前，检查所有的线程跑到最近的安全点停顿下来呢？

  • 抢断式中断：首先中断所有的线程，如果还有线程不在安全点，则恢复该线程运行到安全点再中断（目前基本没有虚拟机使用了）
  • 主动式中断：设置一个中断标志，各个线程运行到Safe Point的时候，会主动轮询这个标志，如果中断标志为真，则将自己主动挂起

  该机制保证了程序执行的时候，能够在不太长的时间内就进入GC的Safe Point

• 安全区域（Safe Region）：安全区域是指在一段代码片段中，对象的引用关系不会发生变化，在这个区域内任何地方进行GC都是安全的，这是为了防止不执行的程序无法响应JVM中断请求的情况（如现成处于Sleep或者Blocked状态）

• 总得来说，实际运行的时候

  • 当线程运行到Safe Region的时候，就会标识已经进入Safe Region，在此期间发生GC，垃圾收集器就会忽略标识为Safe Region的线程
  • 当线程离开Safe Region，就会检查JVM是否完成GC，完成则继续执行，否则线程必须等待直到收到可以安全离开Safe Region的信号为止

6 Java引用

​ Java中的引用分为了强引用(Strong Reference)、软引用(Soft Reference)、弱引用(Weak Reference)、虚引用(Phantom Reference)四种引用，四种引用的强度依次减弱

6.1 强引用：不回收

• 强引用是最常见的普通对象引用，也是默认的引用类型

• 一般使用一个new操作符创建一个对象并将其赋值给一个变量的时候，这个变量就成为了指向这个对象的强引用

• 强引用的对象是可触及的，因此垃圾回收器永远不会回收强引用指向的对象

• 一个普通对象如果没有其他的引用关系，并且超过了引用的作用域或者显式地将其强引用赋值为null，就可以被当做垃圾收集了

• 强引用是造成垃圾泄露的主要原因，因为即使发生OOM也不会回收强引用指向的对象

  

​ 如下测试表明被强引用的对象不会被垃圾回收

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        StringBuffer str = new StringBuffer("Hello");
        StringBuffer str1 = str;

        str = null;
        System.gc();

        Thread.sleep(1000);

        System.out.println(str1);
    }

6.2 软引用：内存不足即回收

• 只要是被软引用关联的对象，在系统内存空间不够之前，会把这些对象列入垃圾回收范围内进行第二次回收，如果回收之后仍没有足够的内存，就会报内存溢出异常
• 垃圾回收器在某个时刻决定回收软可达对象的时候，会清理软引用，并可选地把引用存到一个专业队列（Reference Queue）
• 软引用通常用来实现内存敏感的缓存，比如高速缓存就有用到软引用，如果还有空闲内存就可以暂时保留缓存，当内存不足的时候就清理掉，这样就能保证在使用缓存的时候不会耗尽内存
• 类似弱引用，只不过Java虚拟机会尽量软引用的存活时间更长一点，迫不得已才去清除

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //SoftReference<User> userSoftRef = new SoftReference<>(new User("lxg", 1));
        // 等同于下面的写法
        User user = new User("lxg", 1);
        SoftReference<User> userSoftRef = new SoftReference<>(user);
        user = null;

        System.out.println(userSoftRef.get());

        System.gc();
        System.out.println("After GC.");
        //Thread.sleep(1000);
        // 内存足够，不会回收软引用
        System.out.println(userSoftRef.get());

        try {
            byte[] bytes = new byte[1024 * 1024 * 7];
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            System.out.println(userSoftRef.get());
        }

    }

​ 结果：

User{userName='lxg', id=1}
After GC.
User{userName='lxg', id=1}
null
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
	at com.hikaru.java.reference.SoftReferenceTest.main(SoftReferenceTest.java:54)

​ 注意！软引用是在内存紧张的时候进行回收，而不一定是在内存溢出的时候才进行：

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //SoftReference<User> userSoftRef = new SoftReference<>(new User("lxg", 1));
        User user = new User("lxg", 1);
        SoftReference<User> userSoftRef = new SoftReference<>(user);
        user = null;

        System.out.println(userSoftRef.get());

        System.gc();
        System.out.println("After GC.");
        //Thread.sleep(1000);
        System.out.println(userSoftRef.get());

        try {
            byte[] bytes = new byte[1024 * 7185 - 1024 * 626];
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            System.out.println(userSoftRef.get());
        }

    }

​ 上面代码并没有出现内存溢出，但是软引用还是被回收了

User{userName='lxg', id=1}
[GC (System.gc()) [PSYoungGen: 1728K->488K(2560K)] 1728K->684K(9728K), 0.0012236 secs] [Times: user=0.02 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[Full GC (System.gc()) [PSYoungGen: 488K->0K(2560K)] [ParOldGen: 196K->614K(7168K)] 684K->614K(9728K), [Metaspace: 3207K->3207K(1056768K)], 0.0039028 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
After GC.
User{userName='lxg', id=1}
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 60K->160K(2560K)] 674K->774K(9728K), 0.0002132 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 160K->128K(2560K)] 774K->742K(9728K), 0.0002047 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[Full GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 128K->0K(2560K)] [ParOldGen: 614K->610K(7168K)] 742K->610K(9728K), [Metaspace: 3215K->3215K(1056768K)], 0.0040388 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 0K->0K(2560K)] 610K->610K(9728K), 0.0002728 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[Full GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 0K->0K(2560K)] [ParOldGen: 610K->592K(7168K)] 610K->592K(9728K), [Metaspace: 3215K->3215K(1056768K)], 0.0039398 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
null
Heap
 PSYoungGen      total 2560K, used 173K [0x00000000ffd00000, 0x0000000100000000, 0x0000000100000000)
  eden space 2048K, 8% used [0x00000000ffd00000,0x00000000ffd2b418,0x00000000fff00000)
  from space 512K, 0% used [0x00000000fff80000,0x00000000fff80000,0x0000000100000000)
  to   space 512K, 0% used [0x00000000fff00000,0x00000000fff00000,0x00000000fff80000)
 ParOldGen       total 7168K, used 7151K [0x00000000ff600000, 0x00000000ffd00000, 0x00000000ffd00000)
  object space 7168K, 99% used [0x00000000ff600000,0x00000000ffcfbc68,0x00000000ffd00000)
 Metaspace       used 3288K, capacity 4500K, committed 4864K, reserved 1056768K
  class space    used 355K, capacity 388K, committed 512K, reserved 1048576K

Process finished with exit code 0

6.3 弱引用：发现即回收

• 只被弱引用关联的对象只能生存到下一次垃圾收集发生为止

• 发生GC的时候，不管系统堆空间是否充足，都会回收掉只被弱引用关联的对象

  但是垃圾回收器的线程通常优先级较低，因此并能够一定很快地发现持有弱引用的对象，在这种情况下，弱引用可以存在较长的时间

• 在构造弱引用的时候，可以指定一个引用队列，当弱引用被回收的时候，就会加入该指定的引用队列，通过这个队列可以追踪对象的回收情况

• 弱引用也适合保存那些可有可无的缓存数据，当系统内存不足的时候缓存数据就会被回收，从而不会导致内存的溢出，而当内存充足的时候缓存数据又能够存在相当长的时间，从而起到加速系统的作用

• jdk1.2后通过java.lang.ref.WeakReference来实现软引用

     Object obj = new Object();
     WeakReference<Object> objectWeakReference = new WeakReference<>(obj);
  
     WeakReference<Object> objectWeakReference1 = new WeakReference<>(new Object());
  

• WeakHashMap的内部类继承了WeakReference，意味着使用WeakHashMap会在内存不足的时候进行数据的回收

public class WeakReferenceTest {
    public static void main(String[] args) {
        Object obj = new Object();
        WeakReference<Object> objectWeakReference = new WeakReference<>(obj);
        obj = null;
        System.out.println(objectWeakReference.get());
        System.gc();
        System.out.println(objectWeakReference.get());
    }
}

java.lang.Object@677327b6
null

6.4 虚引用：对象回收跟踪

• 虚引用又称幽灵引用、幻影引用，是所有引用对象中最弱的一个

• 一个对象是否有虚引用，完全不会决定对象的生命周期；对象仅持有虚引用，那么跟不持有任何引用是一样的，随时都有可能被垃圾回收器回收

• 虚引用不能被单独使用，当尝试通过虚引用获取被引用的对象的时候，总会得到null

• 为对象设置虚引用关联的目的在于跟踪对象的垃圾回收过程，比如在这个对象被回收的时候能够收到一个系统通知

• 虚引用必须和引用队列一起使用：虚引用在创建的时候必须提供一个引用队列作为参数，当垃圾回收器回收对象发现有虚引用指向的时候，就把这个虚引用加入引用队列，以通知应用程序该对象的回收情况

  由于虚引用可以跟踪对象的回收时间，因此可以将一些资源释放操作放置在虚引用中执行和记录

• jdk1.2之后提供PhantomReference来实现虚引用

package com.hikaru.java.reference;

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

public class PhantomReferenceTest {
    public static PhantomReferenceTest obj;
    static ReferenceQueue<PhantomReferenceTest> phantomQueue = null;

    @Override
    protected void finalize() throws Throwable {
        super.finalize();
        System.out.println("调用当前方法的finalize");
        obj = this;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Thread thread = new Thread(() -> {
            while(true) {
                if(phantomQueue != null) {
                    PhantomReference<PhantomReferenceTest> reft = null;
                    try {
                        reft = (PhantomReference<PhantomReferenceTest>) phantomQueue.remove();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    if(reft != null) {
                        System.out.println("虚引用指向的实例被回收了");
                    }
                }
            }
        });
        // 设置线程为守护线程
        thread.setDaemon(true);
        thread.start();

        phantomQueue = new ReferenceQueue<>();
        obj = new PhantomReferenceTest();

        PhantomReference<PhantomReferenceTest> phantomRef
                = new PhantomReference<>(obj, phantomQueue);
        // 无法通过虚引用获取对象
        System.out.println(phantomRef.get());

        // 去掉强引用
        obj = null;
        // finalize方法会复活对象
        System.gc();
        try {
            Thread.sleep(1000);
            if(obj == null) {
                System.out.println("obj是null");
            } else {
                System.out.println("obj存活");
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        obj = null;
        // finalize只能被调用一次，因此第二次垃圾回收会回收掉obj
        System.gc();
        try {
            Thread.sleep(1000);
            if(obj == null) {
                System.out.println("obj是null");
            } else {
                System.out.println("obj存活");
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

null
调用当前方法的finalize
obj存活
虚引用指向的实例被回收了
obj是null

6.5 终结器引用

• 它用以实现对象的finalize()方法，无需手动编码，内部配合队列使用
• 在GC的时候，终结器引用入队，由Finalizer线程通过终结器引用找到被引用的对象调用它的finalize()方法，然后再第二次GC的时候才能回收该对象

本栏目推荐文章
• 深入探索JVM：理解Java程序在虚拟机中的存储和管理
• 【JVM】记录一次线上服务频繁FGC的排查过程
• JVM内存参数设置
• JVM学习-Class文件结构
• [转帖]解Bug之路-记一次JVM堆外内存泄露Bug的查找
• 20-资源优化：Kubernete 中有 GC（垃圾回收）吗？
• js 垃圾回收机制
• 《实战Java虚拟机 JVM故障诊断与性能优化》读书
• JVM---内存分析工具
• 你还在“垃圾”调优？快来看看JDK17的ZGC如何解放双手 | 京东云技术团队

垃圾 JVM垃圾jvm 机制 垃圾jvm 算法 垃圾jvm jvm机制 垃圾 垃圾 笔记jvm 模型 内存 垃圾jvm 垃圾jvm 02 垃圾cnblog jvm 垃圾java jvm 算法 垃圾 阶段jvm