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虛擬機系列 | 執行引擎和垃圾回收

2020-09-25 12:18:17 後端開發

本文原始碼:GitHub·點這里 || GitEE·點這里

一、執行引擎

應用程式經過編譯,轉換為位元組碼檔案,位元組碼加載到記憶體空間并不能直接在作業系統上執行,執行引擎作為Java虛擬機核心的組成部分,作用就是將位元組碼指令解釋/編譯為對應系統平臺上的本地機器指令,

解釋器:虛擬機啟動時會根據預定義對位元組碼采用逐行解釋的方式執行,將每條位元組碼檔案中的內容解釋為對應系統平臺的本地機器指令執行;

JIT編譯器:虛擬機將源代碼編譯成本地機器平臺相關的機器語言,并且尋找熱點高頻執行的代碼將其放入元空間中,即元空間中存放的JIT快取代碼;

垃圾回收:對于沒有任何參考的物件標記為垃圾,會被回收釋放記憶體空間,

二、垃圾物件標記

1、參考計數法

每個物件保存一個整型參考計數器,用來記錄物件被參考的次數,當該物件被一個物件參考時,計數器加1,當失去一個參考時,計數器減1;參考計數演算法就是通過判斷物件的參考數量來決定物件是否可以被當做垃圾物件回收掉,

雖然參考計數法效率高,但是當兩個物件互相參考時會導致這兩個物件一直不會被回收,這是一個致命的缺陷,所以JVM并沒有采用該標記演算法,

2、可達性分析演算法

可達性分析演算法是基于物件到根物件的參考鏈是否可達來判斷物件是否可以被回收;

運行程式把所有的參考關系鏈看作一張圖,通過GC-Roots根物件物件集合作為起始點,從每個根節點向下不斷搜索被根物件集合所連接的物件是否可達,搜索路徑稱為參考鏈(Reference-Chain),如果物件到GC-Roots沒有任何參考鏈存在,則說明此物件是不可用的,

  • 虛擬機堆疊中參考的物件;
  • 元空間中類靜態屬性參考的物件;
  • 元空間中常量參考的物件;
  • 本地方法堆疊中Native方法參考的物件;

相對于參考計數法演算法,可達性分析演算法則避免了回圈參考導致的問題,同樣具備執行高效的特點,也是JVM采用的標記演算法,

三、垃圾回識訓制

1、標記清除演算法

標記-清除演算法分為標記和清除兩個階段:

標記階段:從根物件集合進行掃描,對存活的物件物件標記;清除階段:再次掃描發現未被標記的物件并進行回收;

該演算法效率不高,進行垃圾回收需要暫停應用程式,同時會產生大量記憶體碎片,后續程式運行程序中分配記憶體占用較大的物件時,會有連續記憶體不夠情況,容易觸發再一次垃圾收集動作,

2、標記整理演算法

標記整理演算法的標記程序類似標記清除演算法,第一階段:標記出垃圾物件;第二階段:讓所有存活的物件都向記憶體區一端移動;第三階段:直接清理掉邊界端以外的記憶體,類似于磁盤整理的程序;

該垃圾回收演算法效率不高,物件移動程序需要暫停應用程式,適用于物件存活率高的場景(老年代),

3、復制演算法

復制演算法將記憶體按容量劃分為大小相等的兩塊,每次只使用其中的一塊,當使用的這塊的記憶體用完,就將還存活著的物件復制到另外一塊空閑記憶體上,然后使用過的記憶體空間一次清理,

該演算法實作簡單,運行效率高,但是記憶體空間嚴重浪費,適用于物件存活率低的場景,比如新生代,

4、分代收集演算法

當前市場上幾乎所有的虛擬機都采用該回收演算法,分代收集演算法根據年輕代和老年代的各自特點采用不同的演算法機制,不同記憶體區域中物件生命周期也不同,因此對堆記憶體不同區域采用不同的回收策略可以提高垃圾回收執行效率,通常情況新生代物件存活率低,回收頻繁,就采用復制演算法;老年代存物件生命周期長,活率高,就用標記清除演算法或者標記整理演算法,

Java堆記憶體一般可以分為新生代、老年代和永久代三個模塊,如下圖所示:

新生代

通常情況下,新創建的物件實體首先都是放在新生代空間中,所以追求快速的回收掉垃圾物件,一般情況下,新生代記憶體按照8:1:1的比例分為一個eden區和兩個survivor(survivor0,survivor1)區,物件實體大部分在Eden區中生成;

垃圾回收時先把eden區存活物件復制到S0區,然后清空eden區,當S0區也滿時,再將eden區和S0區存活物件復制到S1區,然后清空eden和S0區,之后交換S0區和S1區的角色,當S1區無法存放eden區和S0區的存活物件時,就將存活物件直接存移到老年代區,當老年代區也滿了,觸發一次FullGC,即新生代、老年代都進行回收,

老年代

老年代區存放一些生命周期較長的物件,物件實體在新生代中經歷了多次垃圾回收仍然存活的物件,會被移動到老年代區中,

四、源代碼地址

GitHub·地址
https://github.com/cicadasmile/java-base-parent
GitEE·地址
https://gitee.com/cicadasmile/java-base-parent

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