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面试题:Java中垃圾回收机制在Java虚拟机中的工作原理

请阐述Java虚拟机中垃圾回收机制是如何识别垃圾对象以及采用哪些算法来回收内存空间的。
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编程语言Java

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垃圾对象识别方式

  1. 引用计数法: 为每个对象设置一个引用计数器,每当有一个地方引用该对象时,计数器值加1;当引用失效时,计数器值减1。当计数器值为0时,该对象被认为是垃圾对象。但这种方法无法解决对象之间相互循环引用导致的内存泄漏问题。例如:
class A {
    B b;
}
class B {
    A a;
}
// 若A和B对象互相引用,即使外部没有对它们的引用,引用计数也不会为0
  1. 可达性分析算法: 以一系列被称为“GC Roots”的对象作为起始点,从这些节点开始向下搜索,搜索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时,则证明此对象是不可用的,即垃圾对象。在Java中,可作为GC Roots的对象包括:
    • 虚拟机栈(栈帧中的本地变量表)中引用的对象,比如各个线程被调用的方法堆栈中使用到的参数、局部变量、临时变量等。
    • 方法区中类静态属性引用的对象,例如Java类的引用类型静态变量。
    • 方法区中常量引用的对象,比如字符串常量池里的引用。
    • 本地方法栈中JNI(即一般说的Native方法)引用的对象。

垃圾回收算法

  1. 标记 - 清除算法
    • 标记阶段:首先从根集合开始扫描,标记出所有存活的对象。
    • 清除阶段:扫描堆内存,回收所有未被标记的对象空间。这种算法的缺点是会产生大量不连续的内存碎片,可能导致后续大对象无法分配足够连续的内存空间。
  2. 复制算法
    • 将内存空间划分为大小相等的两块(一般称为From和To),每次只使用其中一块。当这一块内存使用完后,将存活对象复制到另一块空闲内存中,然后把原来使用的那一块内存一次性清理掉。
    • 优点是实现简单,不会产生内存碎片,缺点是内存使用率较低,因为始终有一半内存处于空闲状态。现代虚拟机中,这种算法主要应用于新生代,并且根据对象存活概率不同,将新生代分为一个较大的Eden区和两个较小的Survivor区(一般比例为8:1:1),每次使用Eden区和其中一个Survivor区,存活对象复制到另一个Survivor区,当Survivor区满了再将对象晋升到老年代。
  3. 标记 - 整理算法
    • 标记阶段:与标记 - 清除算法的标记阶段相同,从根集合开始标记出所有存活的对象。
    • 整理阶段:让所有存活的对象向内存空间一端移动,然后直接清理掉边界以外的内存。这种算法解决了标记 - 清除算法产生内存碎片的问题,适用于老年代,因为老年代对象存活率高,复制算法代价较大。
  4. 分代收集算法
    • 根据对象存活周期的不同将内存划分为不同的代,一般分为新生代和老年代。
    • 新生代对象朝生夕灭,存活率低,采用复制算法进行垃圾回收,回收效率高。老年代对象存活率高,移动代价大,采用标记 - 整理算法或标记 - 清除算法进行垃圾回收。