关于java:JVM-垃圾回收基础

欢送关注公众号：五小竹

什么是垃圾

内存中不在被应用到的内存空间，就是垃圾。
Java 中的内存是动态分配和主动回收的。学习垃圾收集机制，调优策略，可能帮忙咱们解决和应答各种工作中面临的内存透露问题。

Java 虚拟机运行时数据辨别为程序计数器、虚拟机栈、本地办法栈、堆、办法区。
其中程序计数器、虚拟机栈、本地办法栈这 3 个区域是线程公有的，会随线程沦亡而主动回收，所以不须要治理。
因而垃圾收集只须要关注堆和办法区。

Java 的内存调配

堆上调配

• 如果启动了本地线程调配缓冲，将按线程优先调配在 TLAB 上。
• 对象优先在 Eden 上调配
• 大对象进入老年代
• 长期存活的对象进入老年代

栈上调配

基于逃逸剖析技术，如果一个对象始终在一个办法内。确定这个对象不会逃逸办法之外，那让这个对象在栈上分配内存，这样对象就会随着办法的完结而主动销毁，升高了垃圾回收的压力。

如何断定垃圾

援用计数法

给对象增加一个援用计数器，有对这个对象的援用就对计数加 1，援用生效就减 1，任何时刻计数器为 0 的对象就是断定为垃圾。

• 长处：实现简略，效率高。
• 毛病：不能解决对象循环援用的问题。在多线程环境下，援用计数变更也要进行低廉的同步操作，性能较低。

可达性分析法

目前支流的虚拟机才有的算法。他是从根节点（GC Root）向上来搜寻对象节点，搜寻走过的门路称为援用链，当一个对象到根节点之间没有联通的话，这个对象断定为垃圾。

GC Root 对象

能够作为 GC Roots 的对象包含：

• 虚拟机栈中援用的对象
• 办法区类动态属性信用的对象
• 办法去常量援用的对象
• 本地办法栈中 JNI（Native 办法）援用的对象

援用类型

判断一个对象的存活跟援用无关，jdk1.2 之前，援用只是指援用类型的数据中存储了另一块内存的地址。jdk1.2 之后，java 的援用分为以下四种。

• 强援用：Object obj = new Object(); 最常见的援用，这样通过 new 创立的会产生该对象的强援用。只有对象有强援用指向，并且 GC Roots 可达，那么就不会回收该对象。
• 软援用: SotfReference 类来实现。示意一些还有用然而非必须的对象。在 OOM 前，垃圾收集器会把这些软援用指向的对象退出回收范畴，对于软援用关联的对象，只有在内存不足的时候才会回收。
• 弱援用：WeakReference, 示意非必要对象，在 YGC 时候会被回收。因为 YGC 工夫不确定，所以弱援用随时都有可能被回收。
• 虚援用：PhantomReference, 无奈通过该援用获取指向的对象。在任何时候都可能被垃圾回收器回收。虚援用次要用来跟踪对象被垃圾回收器回收的流动，必须和援用队列配合应用:

如

ReferenceQueue<String> queue = new ReferenceQueue<>();
PhantomReference<String> phantomReference = new PhantomReference<>("Hello", queue);

当垃圾回收器筹备回收一个对象时，发现他有虚援用，就会在回收这对象的内存前，把这个虚援用退出队列，程序通过援用队列中是否有该虚援用，来理解对象是否要被垃圾回收器回收，而后能够在回收前做一些事件。

垃圾收集算法

标记 - 革除（Mark-Sweep）

最根底的算法，第一步，先标记，从 GC Roots 登程，顺次标记对象援用关系，而后，将没有被标记的对象革除。
毛病：一个是效率问题，标记和革除两个过程效率都不高；另外，革除过后会产生大量不间断的内存碎片。导致当咱们须要调配大对象时候，无奈找到足够的间断内存而又触发一次 GC。

复制（Copy）

复制算法：把内存分为两块大小雷同的区域，每次应用其中一块，当应用完了，就把这一块区域上还存活对象拷贝到另一块，而后把这一块革除掉。不会造成内存碎片，然而内存利用率不高，会造成一半的空间节约。

新生代上的对象大多数“朝生夕死”，HotSpot 默认将新生代内存划分为一个大的 Eden 区和两个小的 Surivor 区。在 GC 时，将 Eden 区和一个 Surivor 区中存活的对象，复制到另外一个 Surivor 区。Eden 区和两个 Surivor 区比例默认 8：1：1，所以这时候只会节约 10% 的空间。

标记 - 整顿 (Mark-Compact)

和标记革除一样，先标记，然而后续不间接回收对象清理，而是让存活的对象向一端挪动，而后间接清理掉端边界之外的内存。

因为复制算法在存活对象比拟多的时候，效率比拟低，且有空间节约，所以老年代个别会选用标记 - 整顿算法。

### 三种 GC 算法比照

分代收集

将下面的各种算法组合在一起，就地取材。个别咱们把堆空间分为新生代和老年代。依据他们的特定采纳不同的垃圾回收算法，在新生代，每次 GC 都会有大量对象死去，多数存活，所以采纳复制算法。只用付出多数对象的复制老本，不会造成不间断的内存碎片。而在老年代，对象存活率高，则采纳标记整顿或者标记革除。

垃圾收集器

术语

• STW: “Stop The World” 简写，也叫全局进展。会造成服务暂停，没有响应。
• 串行收集：GC 单线程内存回收，会暂停所有的用户线程。比方 Serial, Serial Old
• 并行收集: 多线程进行并发 GC，此时暂停用户线程。比方 Parallel
• 并发收集：用户线程和 GC 线程同时执行，不须要进展用户线程. 适宜对响应工夫有要求的场景。比方 CMS 收集器

Serial/Serial Old

Serial 是一个单线程的收集器，它只会应用一个 CPU 或一个收集线程去做垃圾收集，并且在做垃圾收集时须要进行所有的工作线程，晓得收集工作完结。Serial 进行用户线程，采纳复制算法收集年老代，Serial Old 采纳标记 - 整顿算法收集老年代。

特点：单线程收集，STW

应用 -XX:+UseSerialGC 开启 Serial + Serial Old

ParNew

Serial 的多线程版本，应用多线程进行垃圾收集。他是新生代的垃圾收集器。须要配合老年代的 CMS 收集器应用。所以开启须要应用 CMS, 新生代默认 ParNew.

能够通过 ==-XX:ParallelGCThreads== 参数来管制收集的线程数，过程也是 STW

Parallel Scavenge/Paraller Old

Parallel Scavenge 是新生代的收集器，采纳复制算法，多线程的收集器，Paraller Old 是老年代收集器，也是多线程收集，采纳标记 - 整顿算法。

主要参数

• -XX:UseParallelGC 开启
• -XX:MaxGCPauseMillis 最大垃圾收集进展工夫
• -XX:GCTimeRatio 设置吞吐量大小

可控的吞吐量

通过参数 -XX:MaxGCPauseMillis 管制最大 GC 进展工夫。-XX:GCTimeRatio 设置吞吐量大小

晋升吞吐量能够高效利用 CPU 工夫，尽快实现程序工作。

自适应 GC 策略

解决提供了下面两个参数管制吞吐量大小以外，Parallel Scavenge 还能够通过 -XX:+UseAdptiveSizePolicy, 开启指示仪 GC 策略。关上后，就不再须要手动设置新生代大小，Eden/Surivor 比例等参数，虚构机会依据零碎运行状况，动静调整这些参数，从而达到最优的进展工夫，和最高吞吐量。

CMS

• 1. 初始标记 ：只标记 GC Roots 能间接关联到的对象，会 STW。
• 2. 并发标记 ：进行 GC Roots Tracing 的过程，GC 线程和用户线程同时执行。
• 3. 从新标记 ：修改并发标记期间，因程序运行导致标记发生变化的那些对象。会 STW
• 4. 并发革除 ：并发回收垃圾对象（GC 线程和用户线程同时执行）
• 5. 并发重置：清理本次 CMS GC 上下文信息，为下一次 GC 做筹备。

长处：低进展，并发执行

毛病：

• 因为并发执行，所以对 CPU 资源压力大。
• 无奈解决在收集过程中产生的浮动垃圾。
• 因为采纳标记 - 革除算法，所以会才是大量内存碎片。而导致在须要调配大对象是内存不足，触发 FullGC。

应用 -XX:UseConcMarkSweepGC 开启 ParNew+CMS/SerialOld 收集器组合，即新生代采纳 ParNew, 老年代 CMS，当 CMS 出错后，SerialOld 备用。
为了解决内存碎片问题，CMS 能够通过 -XX:+UseCMSCompactAtFullCollection，强制 JVM 在 FullGC 实现后对老年代进行压缩，执行碎片整顿，同时会 STW。想要缩小 STW 次数，能够配置 -XX:+CMSFullGCsBeforeCompaction 参数，在执行设置的次数后，JVM 再在老年代进行空间整顿。

JDK9 曾经将 CMS 标记为弃用，在 JDK14 中曾经将 CMS 删除。

G1

JDK7 推出的新一代收集器，
是一个面向服务端利用的收集器。相比下面的收集器，
G1 作用在整个堆，而其余的收集器都是只作用在新生代或老年代。

G1 将 Java Heap 宰割成一些大小雷同的 Region, 通过参数 -XX：G1HeapRegionSize 指定 Region 的大小，取值范畴为 1～32M，应为 2 的 N 次幂。G1 对每个 Region 做了分类，别离包含：Eden，Surivor，Old，Humongous, 其中 Humongous 相当于一个大的 Old，用来寄存大对象。

如下图：G1 的堆内存布局和传统的堆内存布局不同。

G1 将空间分成多个区域，跟踪每个区域外面的垃圾沉积的价值大小，构建一个优先列表，优先收集垃圾最多的区域，这也是它为什么叫 Garbage-First 的起因。

G1 与 CMS 相比的，有何特点

• 并发与并行：充沛的利用多 CPU，缩短 STW 工夫。并发标记阶段可与用户线程并发执行，最终标记阶段 GC 线程可并行执行。
• 分代收集：G1 能够不与其余垃圾收集器配合，独立实现整个 GC 堆的垃圾收集。
• 空间整合：G1 整体看是采纳“标记 - 整顿”算法实现的，部分也有 Eden 和 Surivor Region 看上去是采纳“复制”算法来实现。整个过程防止了产生内存碎片。
• 进展工夫可管制：G1 除了谋求低进展，还能建设可预测的进展工夫模型，能让用户指定在一个时间段内，耗费在收集上的工夫不超过一个时间段。

G1 垃圾收集模式

Young GC

• 1. 所有 Eden Region 都满了时，就会触发 Young GC
• 2.Eden Region 里的对象会转移到 Surivor Region
• 3. 原 Surivor Region 中的对象转移到另一个 Surivor, 或者降职到 Old Region
• 4. 闲暇 Region 会被放入闲暇列表，期待下次应用。

Mixed GC

当老年代占整个 Heap 的大小百分比达到一个阀值（-XX:InitialingHeapOccupancyPercent）时, 默认 45%，就会触发 Mixed GC,
收集整个新生代以及局部老年代。

Mixed GC 回收过程

• 1. 初始标记：只标记 GC Roots 能关联到的对象。批改 TAMS 的值，此阶段会 STW.
• 2. 并发标记: 从 GC Root 开始对堆内存中的对象进行可达性剖析，找出存活的对象，此过程能够和用户线程并发执行。
• 3. 最终标记：修改在并发标记阶段用户线程持续运行导致标记产生变动的记录。此过程 STW，然而能够并行执行。
• 4. 筛选回收：对各个 Region 的回收价值和老本进行排序，依据用户冀望的进展工夫制订回收打算。

Full GC

当复制对象内存不够时，或无奈调配足够空间时，触发 Full GC
Full GC 模式是采纳 Serial Old 收集的，所以会 STW。

如何缩小 Full GC？

• 增大 -XX:G1ReserverPercent, 来减少预留内存。
• 缩小 -XX:InitialingHeapOccupancyPercent, 当老年代达到这个值是就触发 Mixed GC,
• 减少 -XX:ConcGCThreads 并发阶段的线程数。

总结

对以上介绍的垃圾回收器总结

• Serial 串行，作用于新生代，采纳复制算法
• ParNew 并行，作用于新生代，采纳复制算法
• Serial Old 串行，作用于老年代，标记 - 整顿算法
• Parallel 并行，作用于新生代，复制算法
• Parallel Old 并行，作用于老年代，标记 - 整顿算法
• CMS 并发，作用于老年代，标记 - 革除算法
• G1 并发 + 并行，作用于整个堆，复制算法，标记 - 整顿

参考资料

《深刻了解 Java 虚拟机 JVM 高级个性与最佳实际》