超干货！彻底搞懂JAVA与Go垃圾回收

Java垃圾回收

垃圾回收区域及划分

在介绍Java垃圾回收之前，我们需要了解Java的垃圾主要存在于哪个区域。JVM内存运行时区域划分如下图所示：

图源：深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践（第3版） —机械工业出版社

? Java内存运行时区域的各个部分，其中程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈3个区域随着线程而生，随着线程而灭；栈中的栈帧随着方法的进入退出而进栈出栈，在类结构确定下来时就已知每个栈帧中的分配内存。而Java堆和方法区则不同，一个接口中的多个实现类需要的内存可能不同，一个方法中的多个分支需要的内存也可能不一样，我们只有在程序处于运行期间时才能知道会创建哪些对象，这部分内存的分配和回收都是动态的，而在java8中，方法区存放于元空间中，元空间与堆共享物理内存，因此，Java堆和方法区是垃圾收集器管理的主要区域。

? 从垃圾回收的角度，由于JVM垃圾收集器基本都采用分代垃圾收集理论，所以 Java 堆还可以细分为如下几个区域（以HotSpot虚拟机默认情况为例）：

? 其中，Eden 区、From Survivor0(“From”) 区、To Survivor1(“To”) 区都属于新生代，Old Memory 区属于老年代。

? 大部分情况，对象都会首先在 Eden 区域分配；在一次新生代垃圾回收后，如果对象还存活，则会进入 To 区，并且对象的年龄还会加 1(Eden 区->Survivor 区后对象的初始年龄变为 1)，当它的年龄增加到一定程度（超过了 survivor 区的一半时，取这个值和 MaxTenuringThreshold中更小的一个值，作为新的晋升年龄阈值），就会晋升到老年代中。经过这次 GC 后，Eden 区和From区已经被清空。这个时候，From和To会交换他们的角色，保证名为 To 的 Survivor 区域是空的。Minor GC 会一直重复这样的过程。在这个过程中，有可能当次Minor GC后，Survivor 的”From”区域空间不够用，有一些还达不到进入老年代条件的实例放不下，则放不下的部分会提前进入老年代。

? 针对 HotSpot VM 的实现，它里面的 GC 其实准确分类只有两大种：

Java堆内存常见分配策略

判断对象死亡

? 堆中几乎放着所有的对象实例，对堆垃圾回收前的第一步就是要判断哪些对象已经死亡（即不能再被任何途径使用的对象）。判断一个对象是否存活有引用计数、可达性分析这两种算法，两种算法各有优缺点。 Java和Go都使用可达性分析算法，一些动态脚本语言（如:ActionScript）一般使用引用计数算法。

引用计数法

? 引用计数法给每个对象的对象头添加一个引用计数器，每当其他地方引用一次该对象，计数器就加1；当引用失效，计数器就减 1；任何时候计数器为 0 的对象就是不可能再被使用的。

? 这个方法实现简单，效率高，但是主流的Java虚拟机中并没有选择这个算法来管理内存，其最主要的原因是它很难解决对象之间相互循环引用的问题。即如下代码所示：除了对象 objA 和 objB 相互引用着对方之外，这两个对象之间再无任何引用。但是他们因为互相引用对方，导致它们的引用计数器都不为 0，于是引用计数算法无法通知 GC 回收器回收他们。

public class ReferenceCountingGc {    Object instance = null;    public static void main(String[] args) {        ReferenceCountingGc objA = new ReferenceCountingGc();          ReferenceCountingGc objB = new ReferenceCountingGc();        objA.instance = objB; //objB引用计数器为1        objB.instance = objA; //objA引用计数器为1        objA = null;        objB = null;     }}

? 目前Python语言使用的是引用计数法，它采用了“标记-清除”算法，解决容器对象可能产生的循环引用问题，关于详细原理可以参考Python垃圾回收机制详解

可达性分析算法

? 这个算法的基本思想就是通过一系列的称为 “GC Roots” 的对象作为起点，从这些节点开始向下搜索，节点所走过的路径称为引用链，当一个对象到 GC Roots 没有任何引用链相连的话，则证明此对象是不可用的。算法优点是能准确标识所有的无用对象，包括相互循环引用的对象；缺点是算法的实现相比引用计数法复杂。比如如下图所示Root1和Root2都为“GC Roots” ，白色节点为应被垃圾回收的

? 关于Java查看可达性分析、内存泄露的工具，强烈推荐“Memory Analyzer Tool”，可以查看内存分布、对象间依赖、对象状态。

? 在Java中，可以作为**“GC Roots”**的对象有很多，比如：

不可达的对象并非“非死不可”

? 即使在可达性分析法中不可达的对象，也并非是“非死不可”的，这时候它们暂时处于“缓刑阶段”，要真正宣告一个对象死亡，至少要经历两次标记过程；可达性分析法中不可达的对象被第一次标记并且进行一次筛选，筛选的条件是此对象是否有必要执行 finalize 方法。当对象没有覆盖 finalize 方法，或 finalize 方法已经被虚拟机调用过时，虚拟机将这两种情况视为没有必要执行。被判定为需要执行的对象将会被放在一个队列中进行第二次标记，除非这个对象与引用链上的任何一个对象建立关联，否则就会被真的回收。

判断一个运行时常量池中的常量是废弃常量

JDK1.7 之前运行时常量池逻辑包含字符串常量池存放在方法区, 此时 hotspot 虚拟机对方法区的实现为永久代

JDK1.7 字符串常量池被从方法区拿到了堆中, 这里没有提到运行时常量池,也就是说字符串常量池被单独拿到堆,运行时常量池剩下的东西还在方法区, 也就是 hotspot 中的永久代 。

JDK1.8 hotspot 移除了永久代用元空间(Metaspace)取而代之, 这时候字符串常量池还在堆, 运行时常量池还在方法区, 只不过方法区的实现从永久代变成了元空间(Metaspace)

? 假如在字符串常量池中存在字符串 “abc”，如果当前没有任何 String 对象引用该字符串常量的话，就说明常量 “abc” 就是废弃常量，如果这时发生内存回收的话而且有必要的话，”abc” 就会被系统清理出常量池了。

如何判断一个方法区的类是无用的类

? 类需要同时满足下面 3 个条件才能算是 “无用的类”，虚拟机可以对无用类进行回收。

垃圾收集算法

? 当确定了哪些对象可以回收后，就要需要考虑如何对这些对象进行回收，目前垃圾回收算法主要有以下几种。

标记清除算法

? 该算法分为“标记”和“清除”阶段：首先标记出所有不需要回收的对象，在标记完成后统一回收掉所有没有被标记的对象。

适用场合：存活对象较多的情况、适用于年老代（即旧生代）

? 缺点：

标记复制算法

? 为了解决效率问题，出现了“标记-复制”收集算法。它可以将内存分为大小相同的两块，每次使用其中的一块。当这一块的内存使用完后，就将还存活的对象复制到另一块去，然后再把使用的空间一次清理掉。使用复制算法，回收过程中就不会出现内存碎片，也提高了内存分配和释放的效率

? 适用场合：存活对象较少的情况下比较高效、用于年轻代（即新生代）

? 缺点：需要一块儿空的内存空间，整理阶段，由于移动了可用对象，需要去更新引用。

标记整理算法

? 对于对象存活率较高的场景，复制算法要进行较多复制操作，使得效率会变低，这种场景更适合标记-整理算法，与标记-清理一样，标记整理算法先标记出对象的存活状态，但在清理时，是先把所有存活对象往一端移动，然后直接清掉边界以外的内存。

? 适用场合：对象存活率较高（即老年代）

? 缺点：整理阶段，由于移动了可用对象，需要去更新引用。

分代收集算法

? 当前Java虚拟机的垃圾收集采用分代收集算法，一般根据对象存活周期的不同将内存分为新生代和老年代。在新生代中，每次收集都会有大量对象死去，可以选择”标记-复制“算法，只需要付出少量对象的复制成本就可以完成每次垃圾收集。 而老年代的对象存活几率是比较高，而且没有额外的空间对它进行分配担保，所以我们选择“标记-清除”或“标记-整理”算法进行垃圾收集。

垃圾收集器

图源：深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践（第3版） —机械工业出版社

虽然我们对各个收集器进行比较，但并非要挑选出一个最好的收集器。因为直到现在为止还没有最好的垃圾收集器出现，更加没有万能的垃圾收集器，我们能做的就是根据具体应用场景选择适合自己的垃圾收集器。

Golang垃圾回收

? 从Go v1.12版本开始，Go使用了非分代的、并发的、基于三色标记清除的垃圾回收器。相关标记清除算法可以参考和C/C++一样，Go是一种静态类型的编译型语言。因此，Go不需要VM，Go应用程序二进制文件中嵌入了一个小型运行时(Go runtime)，可以处理诸如垃圾收集(GC)，调度和并发之类的语言功能。首先让我们看一下Go内部的内存管理是什么样子的。

Golang内存管理^[6]^

这里先简单介绍一下 Golang 运行调度。在 Golang 里面有三个基本的概念：G, M, P。

G: Goroutine 执行的上下文环境。

M: 操作系统线程。

P: Processer。进程调度的关键，调度器，也可以认为约等于 CPU。

一个 Goroutine 的运行需要 G + P + M 三部分结合起来。

图源：Golang—内存管理(内存分配)

TCMalloc

? Go将内存划分和分组为页（Page），这和Java的内存结构完全不同，没有分代内存，这样的原因是Go的内存分配器采用了TCMalloc的设计思想：

Page

? 与TCMalloc中的Page相同，x64下1个Page的大小是8KB。上图的最下方，1个浅蓝色的长方形代表1个Page。

Span

? 与TCMalloc中的Span相同，Span是内存管理的基本单位，代码中为mspan，一组连续的Page组成1个Span，所以上图一组连续的浅蓝色长方形代表的是一组Page组成的1个Span，另外，1个淡紫色长方形为1个Span。

mcache

? mcache是提供给P（逻辑处理器）的高速缓存，用于存储小对象（对象大小<= 32Kb）。尽管这类似于线程堆栈，但它是堆的一部分，用于动态数据。所有类大小的mcache包含scan和noscan类型mspan。Goroutine可以从mcache没有任何锁的情况下获取内存，因为一次P只能有一个锁G。因此，这更有效。mcache从mcentral需要时请求新的span。

mcentral

? mcentral与TCMalloc中的CentralCache类似，是所有线程共享的缓存，需要加锁访问，它按Span class对Span分类，串联成链表，当mcache的某个级别Span的内存被分配光时，它会向mcentral申请1个当前级别的Span。每个mcentral包含两个mspanList：

mheap

? mheap与TCMalloc中的PageHeap类似，它是堆内存的抽象，也是垃圾回收的重点区域，把从OS申请出的内存页组织成Span，并保存起来。当mcentral的Span不够用时会向mheap申请，mheap的Span不够用时会向OS申请，向OS的内存申请是按页来的，然后把申请来的内存页生成Span组织起来，同样也是需要加锁访问的。

栈

? 这是栈存储区，每个Goroutine（G）有一个栈。在这里存储了静态数据，包括函数栈帧，静态结构，原生类型值和指向动态结构的指针。这与分配给每个P的mcache不是一回事。

内存分配

? Go中的内存分类并不像TCMalloc那样分成小、中、大对象，但是它的小对象里又细分了一个Tiny对象，Tiny对象指大小在1Byte到16Byte之间并且不包含指针的对象。小对象和大对象只用大小划定，无其他区分。

? 核心思想：把内存分为多级管理，降低锁的粒度(只是去mcentral和mheap会申请锁), 以及多种对象大小类型，减少分配产生的内存碎片。

内存回收