Java虛擬機器：垃圾回收機制與演算法
1. 引言
垃圾回收機制自動管理Java程式的記憶體，釋放開發者處理記憶體分配和回收的負擔，大幅提升了開發效率和程式的穩定性。然而，要充分發揮Java的效能優勢，深入理解GC的運作原理和各種演算法就顯得尤為重要。
2. 垃圾回收基本概念
垃圾回收（Garbage Collection，GC）是Java虛擬機器中自動管理記憶體的機制，主要任務是識別並刪除不再被程式使用的物件，釋放這些物件佔用的記憶體空間。
GC的主要目標包括： 1. 自動記憶體管理：開發者無需手動分配和釋放記憶體。 2. 提高記憶體使用效率：及時回收不再使用的物件，避免記憶體洩漏。 3. 簡化程式開發：減少因記憶體管理不當導致的錯誤。
GC的運作基於一個重要概念：GC Root。GC Root是一組特殊的參考，被視為程式執行的起點。常見的GC Root包括： - 執行中的執行緒堆疊中的區域變數和參數 - 靜態變數 - JNI（Java Native Interface）參考
GC通過追蹤這些Root，找出所有可達（reachable）的物件，其餘不可達的物件則被視為垃圾，可以被回收。
物件如何成為垃圾：
public class GCDemo {
public static void main(String[] args) {
Object obj1 = new Object();
Object obj2 = new Object();
obj1 = null; // obj1指向的物件現在成為垃圾
obj2 = obj1; // obj2指向的物件也成為垃圾
}
}
3. Java記憶體區域與GC
在Java虛擬機器中，記憶體被劃分為幾個不同的區域，其中與垃圾回收最密切相關的是堆（Heap）。
堆是Java程式執行期間最大的一塊記憶體，幾乎所有的物件實例都在這裡分配。
為了提高GC效率，堆通常被劃分為幾個部分：
- 新生代（Young Generation）：
- Eden區：大多數新建立的物件首先被分配在這裡。
-
Survivor區：分為From和To兩個區域，用於存放經過垃圾回收後仍然存活的物件。
-
老年代（Old Generation）：
- 存放長期存活的物件和大型物件。
-
當物件在新生代中經過多次GC仍然存活，就會被移到老年代。
-
永久代（PermGen，Java 8之前）/ 元空間（Metaspace，Java 8及之後）：
- 存放類別資訊、常量、靜態變數等。
- Java 8將永久代移除，改用本地記憶體實現的元空間。
不同物件可能被分配到不同的記憶體區域：
public class MemoryAllocationDemo {
public static void main(String[] args) {
// 小物件，可能在Eden區分配
Object smallObject = new Object();
// 大型陣列，可能直接在老年代分配
byte[] largeArray = new byte[1024 * 1024 * 10]; // 10MB
// 類別資訊存儲在元空間
Class<?> clazz = MemoryAllocationDemo.class;
}
}
不同的記憶體區域有不同的GC策略： - 新生代：頻繁進行GC，主要使用複製算法。 - 老年代：GC頻率較低，主要使用標記-清除或標記-壓縮算法。 - 元空間：通常不需要經常GC，但如果元空間耗盡，也會觸發完整GC。
4. 垃圾回收演算法
Java虛擬機器中的垃圾回收演算法經過多年發展，形成幾種主要的策略。每種演算法都有其特點和適用場景，了解這些演算法有助於我們更好地理解GC的工作原理。
- 標記-清除（Mark-Sweep）演算法：
- 標記階段：從GC Root開始遍歷所有可達的物件，並進行標記。
- 清除階段：遍歷整個堆，回收未被標記的物件。
- 優點：實現簡單。
-
缺點：效率不高，可能產生大量記憶體碎片。
-
複製（Copying）演算法：
- 將可用記憶體劃分為兩塊，每次只使用其中一塊。
- GC時，將存活物件複製到另一塊，然後清理當前使用的記憶體區域。
- 優點：效率高，沒有碎片。
-
缺點：可用記憶體減半。
-
標記-壓縮（Mark-Compact）演算法：
- 標記階段：與標記-清除相同。
- 壓縮階段：將所有存活的物件向一端移動，然後清理邊界以外的記憶體。
- 優點：沒有碎片，可以充分利用記憶體。
-
缺點：效率較低，需要移動物件。
-
分代收集（Generational Collection）演算法：
- 基於大多數物件都是短命的觀察結果。
- 將堆分為新生代和老年代，對不同代採用不同的回收算法。
- 新生代：使用複製算法，因為大部分物件會死亡。
- 老年代：使用標記-清除或標記-壓縮算法。
不同生命週期的物件如何影響GC策略：
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
public class GCAlgorithmDemo {
public static void main(String[] args) {
// 短命物件，可能在新生代中被快速回收
for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
Object obj = new Object();
}
// 長期存活的物件，可能被移到老年代
List<String> longLivedList = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < 100000; i++) {
longLivedList.add("長期存活的物件 " + i);
}
// 觸發GC
System.gc();
}
}
在這個例子中，大量短命的Object實例可能會觸發新生代的GC，而長期存活的ArrayList可能會被移到老年代。
5. Java垃圾收集器類型
Java虛擬機器提供了多種垃圾收集器，每種都有其特定的使用場景和優勢。以下是幾種主要的垃圾收集器：
- Serial收集器：
- 單執行緒收集器，適用於單CPU環境。
- 在進行垃圾收集時，會暫停所有的應用執行緒（Stop The World，STW）。
-
簡單高效，適合客戶端應用程式。
-
Parallel收集器：
- 多執行緒收集器，適用於多核心處理器。
- 新生代使用複製算法，老年代使用標記-壓縮算法。
-
目標是達到可控制的吞吐量。
-
CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器：
- 以獲取最短回收停頓時間為目標。
- 採用標記-清除算法。
- 分為初始標記、並發標記、重新標記、並發清除四個階段。
-
適合對回應時間要求較高的應用。
-
G1（Garbage First）收集器：
- 面向服務端應用的收集器。
- 將堆劃分為多個大小相等的區域（Region）。
- 優先收集垃圾最多的區域，實現高效回收。
-
可預測的停頓時間模型。
-
ZGC（Z Garbage Collector）：
- Java 11中引入的低延遲垃圾收集器。
- 目標是將STW時間控制在10ms以內。
- 使用著色指針和讀屏障技術。
- 適合大記憶體、低延遲應用。
在Java程式中指定使用特定的垃圾收集器：
public class GCTypeDemo {
public static void main(String[] args) {
// 使用G1收集器
// -XX:+UseG1GC
// 使用CMS收集器
// -XX:+UseConcMarkSweepGC
// 使用Parallel收集器
// -XX:+UseParallelGC
// 使用ZGC（Java 11+）
// -XX:+UseZGC
// 創建大量物件以觸發GC
for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
new Object();
}
// 手動觸發GC（僅用於演示，實際應用中應避免）
System.gc();
}
}
要使用特定的收集器，可以在啟動Java應用程式時加上相應的JVM參數。
在實際應用中，應根據應用程式的特性（如記憶體大小、延遲要求、吞吐量需求等）來選擇最適合的收集器。
6. GC調校與最佳實踐
垃圾回收的效能對Java應用程式的整體效能有重大影響。因此，了解如何監控、分析和調校GC是非常重要的。以下是一些GC調校的關鍵點和最佳實踐：
- GC監控與分析工具：
- jstat：JVM統計監控工具
- jconsole：Java監控和管理控制台
- VisualVM：視覺化監控、分析工具
-
GC日誌：使用-Xloggc參數啟用
-
常見GC調校參數：
- -Xms和-Xmx：設置堆的初始和最大大小
- -XX:NewRatio：新生代和老年代的比例
- -XX:SurvivorRatio：Eden區和Survivor區的比例
-
-XX:MaxGCPauseMillis：設置最大GC停頓時間
-
GC最佳實踐建議：
- 適當設置堆大小：過大或過小都可能影響效能
- 選擇合適的GC收集器：根據應用特性選擇
- 減少物件創建：重用物件，使用物件池
- 及時釋放不用的物件：將引用設為null
- 使用弱引用或軟引用：對於可有可無的緩存數據
- 避免使用終結器（finalizers）：會延遲對象回收
如何在程式中使用軟引用來實現一個簡單的緩存：
import java.lang.ref.SoftReference;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
public class SoftReferenceCache<K, V> {
private final Map<K, SoftReference<V>> cache = new HashMap<>();
public V get(K key) {
SoftReference<V> ref = cache.get(key);
if (ref != null) {
V value = ref.get();
if (value != null) {
return value;
} else {
cache.remove(key);
}
}
return null;
}
public void put(K key, V value) {
cache.put(key, new SoftReference<>(value));
}
}
在進行GC調校時，重要的是要根據應用程式的具體需求和運行環境來進行優化。同時，應該謹慎進行調校，每次修改後都要進行充分的測試和監控，以確保調校確實帶來了效能改善。