JVM執(zhí)行引擎和垃圾回收要點總結(jié)

更新時間：2021年06月18日 11:52:01 作者：知了一笑

不論是在問題現(xiàn)場還是跳槽面試，我們面對JVM性能問題，依舊會束手無辭，它需要你對Java虛擬機(jī)的實現(xiàn)和優(yōu)化，有極為深刻的理解。所以我在這里整理了一下 JVM的知識點。今天說說虛擬機(jī)執(zhí)行引擎和垃圾回收，都是十足的干貨，請各位看官耐心批閱！

一、執(zhí)行引擎

應(yīng)用程序經(jīng)過編譯，轉(zhuǎn)換為字節(jié)碼文件，字節(jié)碼加載到內(nèi)存空間并不能直接在操作系統(tǒng)上執(zhí)行，執(zhí)行引擎作為Java虛擬機(jī)核心的組成部分，作用就是將字節(jié)碼指令解釋/編譯為對應(yīng)系統(tǒng)平臺上的本地機(jī)器指令。

解釋器：虛擬機(jī)啟動時會根據(jù)預(yù)定義對字節(jié)碼采用逐行解釋的方式執(zhí)行，將每條字節(jié)碼文件中的內(nèi)容解釋為對應(yīng)系統(tǒng)平臺的本地機(jī)器指令執(zhí)行；

JIT編譯器：虛擬機(jī)將源代碼編譯成本地機(jī)器平臺相關(guān)的機(jī)器語言，并且尋找熱點高頻執(zhí)行的代碼將其放入元空間中，即元空間中存放的JIT緩存代碼；

垃圾回收：對于沒有任何引用的對象標(biāo)記為垃圾，會被回收釋放內(nèi)存空間。

二、垃圾對象標(biāo)記

1、引用計數(shù)法

每個對象保存一個整型引用計數(shù)器，用來記錄對象被引用的次數(shù)，當(dāng)該對象被一個對象引用時，計數(shù)器加1，當(dāng)失去一個引用時，計數(shù)器減1；引用計數(shù)算法就是通過判斷對象的引用數(shù)量來決定對象是否可以被當(dāng)做垃圾對象回收掉。

雖然引用計數(shù)法效率高，但是當(dāng)兩個對象互相引用時會導(dǎo)致這兩個對象一直不會被回收，這是一個致命的缺陷。所以JVM并沒有采用該標(biāo)記算法。

2、可達(dá)性分析算法

可達(dá)性分析算法是基于對象到根對象的引用鏈?zhǔn)欠窨蛇_(dá)來判斷對象是否可以被回收；

運行程序把所有的引用關(guān)系鏈看作一張圖，通過GC-Roots根對象對象集合作為起始點，從每個根節(jié)點向下不斷搜索被根對象集合所連接的對象是否可達(dá)，搜索路徑稱為引用鏈（Reference-Chain），如果對象到GC-Roots沒有任何引用鏈存在，則說明此對象是不可用的，

虛擬機(jī)棧中引用的對象；
元空間中類靜態(tài)屬性引用的對象；
元空間中常量引用的對象；
本地方法棧中Native方法引用的對象；

相對于引用計數(shù)法算法，可達(dá)性分析算法則避免了循環(huán)引用導(dǎo)致的問題，同樣具備執(zhí)行高效的特點，也是JVM采用的標(biāo)記算法。

三、垃圾回收機(jī)制

1、標(biāo)記清除算法

標(biāo)記-清除算法分為標(biāo)記和清除兩個階段：

標(biāo)記階段：從根對象集合進(jìn)行掃描，對存活的對象對象標(biāo)記；清除階段：再次掃描發(fā)現(xiàn)未被標(biāo)記的對象并進(jìn)行回收；

該算法效率不高，進(jìn)行垃圾回收需要暫停應(yīng)用程序，同時會產(chǎn)生大量內(nèi)存碎片，后續(xù)程序運行過程中分配內(nèi)存占用較大的對象時，會有連續(xù)內(nèi)存不夠情況，容易觸發(fā)再一次垃圾收集動作。

2、標(biāo)記整理算法

標(biāo)記整理算法的標(biāo)記過程類似標(biāo)記清除算法，第一階段：標(biāo)記出垃圾對象；第二階段：讓所有存活的對象都向內(nèi)存區(qū)一端移動；第三階段：直接清理掉邊界端以外的內(nèi)存，類似于磁盤整理的過程；

該垃圾回收算法效率不高，對象移動過程需要暫停應(yīng)用程序，適用于對象存活率高的場景（老年代）。

3、復(fù)制算法

復(fù)制算法將內(nèi)存按容量劃分為大小相等的兩塊，每次只使用其中的一塊，當(dāng)使用的這塊的內(nèi)存用完，就將還存活著的對象復(fù)制到另外一塊空閑內(nèi)存上，然后使用過的內(nèi)存空間一次清理。

該算法實現(xiàn)簡單，運行效率高，但是內(nèi)存空間嚴(yán)重浪費，適用于對象存活率低的場景，比如新生代。

4、分代收集算法

當(dāng)前市場上幾乎所有的虛擬機(jī)都采用該回收算法，分代收集算法根據(jù)年輕代和老年代的各自特點采用不同的算法機(jī)制，不同內(nèi)存區(qū)域中對象生命周期也不同，因此對堆內(nèi)存不同區(qū)域采用不同的回收策略可以提高垃圾回收執(zhí)行效率。通常情況新生代對象存活率低，回收頻繁，就采用復(fù)制算法；老年代存對象生命周期長，活率高，就用標(biāo)記清除算法或者標(biāo)記整理算法。

Java堆內(nèi)存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(chuàng)建的對象實例首先都是放在新生代空間中，所以追求快速的回收掉垃圾對象，一般情況下，新生代內(nèi)存按照8:1:1的比例分為一個eden區(qū)和兩個survivor(survivor0，survivor1)區(qū)，對象實例大部分在Eden區(qū)中生成；

垃圾回收時先把eden區(qū)存活對象復(fù)制到S0區(qū)，然后清空eden區(qū)，當(dāng)S0區(qū)也滿時，再將eden區(qū)和S0區(qū)存活對象復(fù)制到S1區(qū)，然后清空eden和S0區(qū)，之后交換S0區(qū)和S1區(qū)的角色，當(dāng)S1區(qū)無法存放eden區(qū)和S0區(qū)的存活對象時，就將存活對象直接存移到老年代區(qū)，當(dāng)老年代區(qū)也滿了，觸發(fā)一次FullGC，即新生代、老年代都進(jìn)行回收。

老年代

老年代區(qū)存放一些生命周期較長的對象，對象實例在新生代中經(jīng)歷了多次垃圾回收仍然存活的對象，會被移動到老年代區(qū)中。