JVM之两种垃圾判断方式

news2024/11/13 13:01:18

文章目录

  • 一、所谓的垃圾
  • 二、引用计数器法
  • 三、可达性分析法
          • GC Roots
          • 工作原理
          • 三色标记
            • 标记算法
            • 并发标记


一、所谓的垃圾

垃圾:如果一个或多个对象没有任何的引用指向它了,那么这个对象现在就是垃圾

在堆里存放着几乎所有的 Java 对象实例,在 GC 执行垃圾回收之前,首先需要区分出内存中哪些是存活对象,哪些是已经死亡的对象。只有被标记为己经死亡的对象,GC 才会在执行垃圾回收时,释放掉其所占用的内存空间,因此这个过程可以称为垃圾标记阶段,判断对象存活一般有两种方式:引用计数算法可达性分析算法

二、引用计数器法

引用计数算法(Reference Counting):对每个对象保存一个整型的引用计数器属性,用于记录对象被引用的情况。对于一个对象 A,只要有任何一个对象引用了 A,则 A 的引用计数器就加 1;当引用失效时,引用计数器就减 1;当对象 A 的引用计数器的值为 0,即表示对象A不可能再被使用,可进行回收(Java 没有采用)

优点:

  • 回收没有延迟性,无需等到内存不够的时候才开始回收,运行时根据对象计数器是否为 0,可以直接回收
  • 在垃圾回收过程中,应用无需挂起;如果申请内存时,内存不足,则立刻报 OOM 错误
  • 区域性,更新对象的计数器时,只是影响到该对象,不会扫描全部对象

缺点:

  • 每次对象被引用时,都需要去更新计数器,有一点时间开销

  • 浪费 CPU 资源,即使内存够用,仍然在运行时进行计数器的统计。

  • 无法解决循环引用问题,会引发内存泄露(最大的缺点)

    public class Test {
        public Object instance = null;
        public static void main(String[] args) {
            Test a = new Test();// a = 1
            Test b = new Test();// b = 1
            a.instance = b;		// b = 2
            b.instance = a;		// a = 2
            a = null;			// a = 1
            b = null;			// b = 1
        }
    }
    

在这里插入图片描述

三、可达性分析法

GC Roots

可达性分析算法:也可以称为根搜索算法、追踪性垃圾收集

GC Roots 对象:

  • 虚拟机栈中局部变量表中引用的对象:各个线程被调用的方法中使用到的参数、局部变量等
  • 本地方法栈中引用的对象
  • 堆中类静态属性引用的对象
  • 方法区中的常量引用的对象
  • 字符串常量池(string Table)里的引用
  • 同步锁 synchronized 持有的对象

GC Roots 是一组活跃的引用,不是对象,放在 GC Roots Set 集合


工作原理

可达性分析算法以根对象集合(GCRoots)为起始点,从上至下的方式搜索被根对象集合所连接的目标对象

分析工作必须在一个保障一致性的快照中进行,否则结果的准确性无法保证,这也是导致 GC 进行时必须 Stop The World 的一个原因

基本原理:

  • 可达性分析算法后,内存中的存活对象都会被根对象集合直接或间接连接着,搜索走过的路径称为引用链

  • 如果目标对象没有任何引用链相连,则是不可达的,就意味着该对象己经死亡,可以标记为垃圾对象

  • 在可达性分析算法中,只有能够被根对象集合直接或者间接连接的对象才是存活对象


三色标记
标记算法

三色标记法把遍历对象图过程中遇到的对象,标记成以下三种颜色:

  • 白色:尚未访问过
  • 灰色:本对象已访问过,但是本对象引用到的其他对象尚未全部访问
  • 黑色:本对象已访问过,而且本对象引用到的其他对象也全部访问完成

当 Stop The World (STW) 时,对象间的引用是不会发生变化的,可以轻松完成标记,遍历访问过程为:

  1. 初始时,所有对象都在白色集合
  2. 将 GC Roots 直接引用到的对象挪到灰色集合
  3. 从灰色集合中获取对象:
    • 将本对象引用到的其他对象全部挪到灰色集合中
    • 将本对象挪到黑色集合里面
  4. 重复步骤 3,直至灰色集合为空时结束
  5. 结束后,仍在白色集合的对象即为 GC Roots 不可达,可以进行回收

参考文章:https://www.jianshu.com/p/12544c0ad5c1


并发标记

并发标记时,对象间的引用可能发生变化,多标和漏标的情况就有可能发生

多标情况:当 E 变为灰色或黑色时,其他线程断开的 D 对 E 的引用,导致这部分对象仍会被标记为存活,本轮 GC 不会回收这部分内存,这部分本应该回收但是没有回收到的内存,被称之为浮动垃圾

  • 针对并发标记开始后的新对象,通常的做法是直接全部当成黑色,也算浮动垃圾
  • 浮动垃圾并不会影响应用程序的正确性,只是需要等到下一轮垃圾回收中才被清除

漏标情况:

  • 条件一:灰色对象断开了对一个白色对象的引用(直接或间接),即灰色对象原成员变量的引用发生了变化
  • 条件二:其他线程中修改了黑色对象,插入了一条或多条对该白色对象的新引用
  • 结果:导致该白色对象当作垃圾被 GC,影响到了程序的正确性

代码角度解释漏标:

Object G = objE.fieldG; // 读
objE.fieldG = null;  	// 写
objD.fieldG = G;     	// 写

为了解决问题,可以操作上面三步,将对象 G 记录起来,然后作为灰色对象再进行遍历,比如放到一个特定的集合,等初始的 GC Roots 遍历完(并发标记),再遍历该集合(重新标记)

所以重新标记需要 STW,应用程序一直在运行,该集合可能会一直增加新的对象,导致永远都运行不完

解决方法:添加读写屏障,读屏障拦截第一步,写屏障拦截第二三步,在读写前后进行一些后置处理:

  • 写屏障 + 增量更新:黑色对象新增引用,会将黑色对象变成灰色对象,最后对该节点重新扫描

    增量更新 (Incremental Update) 破坏了条件二,从而保证了不会漏标

    缺点:对黑色变灰的对象重新扫描所有引用,比较耗费时间

  • 写屏障 (Store Barrier) + SATB:当原来成员变量的引用发生变化之前,记录下原来的引用对象

    保留 GC 开始时的对象图,即原始快照 SATB,当 GC Roots 确定后,对象图就已经确定,那后续的标记也应该是按照这个时刻的对象图走,如果期间对白色对象有了新的引用会记录下来,并且将白色对象变灰(说明可达了,并且原始快照中本来就应该是灰色对象),最后重新扫描该对象的引用关系

    SATB (Snapshot At The Beginning) 破坏了条件一,从而保证了不会漏标

  • 读屏障 (Load Barrier):破坏条件二,黑色对象引用白色对象的前提是获取到该对象,此时读屏障发挥作用

以 Java HotSpot VM 为例,其并发标记时对漏标的处理方案如下:

  • CMS:写屏障 + 增量更新
  • G1:写屏障 + SATB
  • ZGC:读屏障

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