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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

回收算法长处毛病
标记-革除实现简略存在内存碎片
复制无碎片，性能好内存使用率低
标记-整顿无碎片整顿过程开销大

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》