垃圾回收机制：揭秘Java虚拟机的秘密武器

后端

2023-06-26 16:06:14

Java 垃圾回收：深入剖析虚拟机中的内存管理

在 Java 世界中，垃圾回收 (GC) 是一个至关重要的概念，它确保应用程序高效、稳定地运行。本文将深入探讨 Java 虚拟机 (JVM) 中的 GC 机制，让你透彻了解 Java 如何管理内存，从而为你的代码优化和故障排除奠定基础。

对象回收的基本原理

GC 的核心目标是找出不再被程序使用的对象，并将其回收释放内存。为了实现这一目标，JVM 采用了多种算法，其中最常见的是引用计数法和标记清除法。

引用计数法：

这种方法为每个对象维护一个引用计数器，每当一个变量或对象引用该对象时，计数器就会增加；而当引用它的变量或对象被销毁时，计数器就会减少。当计数器变为 0 时，表明对象不再被引用，因此可以被安全回收。

标记清除法：

这是一个更复杂但更有效的算法。它首先对所有对象进行扫描，标记出不再被任何变量或对象引用的对象（称为 "垃圾"）。然后，GC 会在稍后的时间点清除这些 "垃圾" 对象。

JVM 的 GC 算法

JVM 使用多种 GC 算法，每种算法都有其独特的优缺点。以下是最常用的三种：

1. 标记清除算法

这种算法是最简单的 GC 算法。它对所有对象进行扫描，标记出 "垃圾" 对象，然后在稍后清除它们。它相对简单，但开销较大，因为它需要两次遍历所有对象。

示例代码：

// 模拟对象
class Object {}

// 模拟 GC 算法
public static void markAndSweep() {
    // 创建一堆对象
    List<Object> objects = new ArrayList<>();
    for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
        objects.add(new Object());
    }

    // 标记不再引用的对象
    for (int i = 0; i < objects.size(); i++) {
        if (// 根据某种逻辑判断对象不再被引用) {
            objects.set(i, null);
        }
    }

    // 清除不再引用的对象
    for (int i = 0; i < objects.size(); i++) {
        if (objects.get(i) == null) {
            objects.remove(i);
        }
    }
}

2. 复制算法

这种算法将内存空间划分为两个区域：新生代和老年代。新生代用于存储新创建的对象，老年代用于存储存在时间较长的对象。当新生代满了，GC 会将所有存活的对象复制到老年代，并清除新生代。当老年代满了，GC 会进行一次完全的 GC，标记并清除不再引用的所有对象。

示例代码：

// 模拟新生代和老年代
List<Object> youngGen = new ArrayList<>();
List<Object> oldGen = new ArrayList<>();

// 模拟 GC 算法
public static void copy() {
    // 创建一堆对象并加入新生代
    for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
        youngGen.add(new Object());
    }

    // 将新生代中存活的对象复制到老年代
    for (Object object : youngGen) {
        if (// 根据某种逻辑判断对象存活) {
            oldGen.add(object);
        }
    }

    // 清除新生代
    youngGen.clear();

    // 当老年代满了，进行完全 GC
    if (oldGen.size() >= // 某个阈值) {
        // 标记并清除不再引用的对象
        for (int i = 0; i < oldGen.size(); i++) {
            if (// 根据某种逻辑判断对象不再被引用) {
                oldGen.set(i, null);
            }
        }

        // 清除不再引用的对象
        for (int i = 0; i < oldGen.size(); i++) {
            if (oldGen.get(i) == null) {
                oldGen.remove(i);
            }
        }
    }
}

3. 标记压缩算法

这种算法结合了标记清除算法和复制算法的优点。它首先对所有对象进行扫描，标记出 "垃圾" 对象。然后，它会将所有非 "垃圾" 对象压缩到内存的一端，从而释放出 "垃圾" 对象占用的内存空间。

示例代码：

// 模拟标记压缩算法
public static void markCompact() {
    // 创建一堆对象
    List<Object> objects = new ArrayList<>();
    for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
        objects.add(new Object());
    }

    // 标记不再引用的对象
    for (int i = 0; i < objects.size(); i++) {
        if (// 根据某种逻辑判断对象不再被引用) {
            objects.set(i, null);
        }
    }

    // 压缩非 "垃圾" 对象
    int nonNullIndex = 0;
    for (int i = 0; i < objects.size(); i++) {
        if (objects.get(i) != null) {
            objects.set(nonNullIndex++, objects.get(i));
        }
    }

    // 清除 "垃圾" 对象
    for (int i = nonNullIndex; i < objects.size(); i++) {
        objects.set(i, null);
    }
}