Java虚拟机(JVM)介绍和垃圾回收机制

JVM体系结构

JVM体系结构.png

名称

特征

作用

配置

异常

栈区

线程私有,使用一段连续的内存空间

存放局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口

-XSs

StackOverflowError OutOfMemoryError

程序计数器

线程私有、占用内存小

字节码行号

线程共享,生命周期与虚拟机相同

保存对象实例

-Xms -Xmx -Xmn

OutOfMemoryError

方法区

线程共享

存储类加载信息、常量、静态变量等

JDK<=1.7-XX:PermSize -XX:MaxPermSizeJDK>=1.8无

JDK<=1.7OutOfMemoryError:PermGen spaceJDK>=1.8OutOfMemoryError:java heap space

垃圾回收

如何判断是否垃圾数据

引用计数算法

  • 原理:给对象中每一个对象分配一个引用计数器,每当有地方引用该对象时,引用计数器的值加一,当引用失效时,引用计数器的值减一,不管什么时候,只要引用计数器的值等于0了,说明该对象不可能再被使用了。
  • 优点:实现原理简单,而且判定效率很高。大部分情况下都是一个不错的算法。
  • 缺点:很难解决对象之间相互循环引用的问题,例如:对象A和对象B都有instance字段,并且A.instance=B,并且B.instance=A,即使这两个对象再无任何其他引用,并且已经不可能再被访问,引用计数器的值也为0了,这两个对象也是不可能再被使用了,此时引用计数器算法也无法通知GC来回收这两个对象。

可达性分析法

原理:通过一系列被称为“GC Roots‘’的对象作为起始点,从这些节点向下搜索,搜索所走过的路径叫做引用链,当一个节点到GC Roots没有任何引用链时,证明该对象不可用了。 在Java中,可以被作为GC Roots的对象有以下几种:

  • 1.虚拟机栈中引用的对象(栈帧中的引用变量表)
  • 2.方法区中类静态属性引用的对象
  • 3.方法区中常量引用的对象
  • 4.本地方法栈中Native方法(JNI)引用的对象

标记-清除算法

“标记-清除”(Mark-Sweep)算法分为“标记”和“清除”两个阶段:首先标记出所有需要回收的对象,在标记完成后统一回收掉所有被标记的对象,标记方法有两种,一是引用计数法,一是可达性分析法。 标记-清除算法存在两个主要的缺点:

  • 一是效率问题,标记和清除过程的效率低;
  • 一是空间问题,标记清除之后会产生大量不连续的内存碎片,空间碎片太多可能会导致,当程序在以后的运行过程中需要分配较大对象时无法找到足够的连续内存而不得不提前触发另一次垃圾收集动作。 标记-清除算法的执行过程如下图所示:

标记-清除算法

复制算法

为了解决效率问题,一种称为“复制”(Copying)的收集算法出现了,它将可用内存按容量划分为大小相等的两块,每次只使用其中的一块。当这一块的内存用完了,就将还存活着的对象复制到另外一块上面,然后再把已使用过的内存空间一次清理掉。这样使得每次都是对其中的一块进行内存回收,内存分配时也就不用考虑内存碎片等复杂情况,只要移动堆顶指针,按顺序分配内存即可,实现简单,运行高效。只是这种算法的代价是将内存缩小为原来的一半,内存利用率太低。 复制算法的执行过程如下图所示:

复制算法

标记-清除-整理算法

复制收集算法在对象存活率较高时就要执行较多的复制操作,效率将会变低。更关键的是,如果不想浪费50%的空间,就需要有额外的空间进行分配担保,以应对被使用的内存中所有对象都100%存活的极端情况,所以在老年代一般不能直接选用这种算法。 根据老年代的特点,有人提出了另外一种“标记-整理”(Mark-Compact)算法,标记过程仍然与“标记-清除”算法一样,但后续步骤不是直接对可回收对象进行清理,而是让所有存活的对象都向一端移动,然后直接清理掉端边界以外的内存。 “标记-清除-整理”算法的示意图如下图所示:

标记-清除-整理算法

分代收集算法

当前商业虚拟机的垃圾收集都采用“分代收集”(Generational Collection)算法,这种算法并没有什么新的思想,只是根据对象的存活周期的不同将内存划分为几块。一般是把Java堆分为新生代和老年代,这样就可以根据各个年代的特点采用最适当的收集算法。在新生代中,每次垃圾收集时都发现大部分对象都是“朝生夕死”,只需要付出少量存活对象的复制成本就可以完成收集。而老年代中因为对象存活率高、没有额外空间对它进行分配担保,就必须使用“标记-清理”或“标记-整理”算法来进行回收。 JVM堆的内存模型

JVM堆的内存模型

HotSpot垃圾回收器

HotSpot垃圾回收器

1.Serial收集器

Serial收集器是最基本、发展历史最悠久的收集器。是单线程的收集器。它在进行垃圾收集时,必须暂停其他所有的工作线程(Stop The World,STW),直到它收集完成。

Serial收集器

Serial收集器依然是虚拟机运行在Client模式下默认新生代收集器,对于运行在Client模式下的虚拟机来说是一个很好的选择。

2.ParNew收集器

ParNew收集器其实就是Serial收集器的多线程版本,除了使用多线程进行垃圾收集之外,其余行为包括Serial收集器可用的所有控制参数、收集算法、Stop The Worl、对象分配规则、回收策略等都与Serial 收集器完全一样。

ParNew收集器

ParNew收集器是许多运行在Server模式下的虚拟机中首选新生代收集器,其中有一个与性能无关但很重要的原因是,除Serial收集器之外,目前只有ParNew它能与CMS收集器配合工作。

3.Parallel Scavenge(并行回收)收集器

Parallel Scavenge收集器是一个新生代收集器,它也是使用复制算法的收集器,又是并行的多线程收集器。 该收集器的目标是达到一个可控制的吞吐量(Throughput)。所谓吞吐量就是CPU用于运行用户代码的时间与CPU总消耗时间的比值,即 吞吐量=运行用户代码时间/(运行用户代码时间+垃圾收集时间)停顿时间越短就越适合需要与用户交互的程序,良好的响应速度能提升用户体验,而高吞吐量则可用高效率地利用CPU时间,尽快完成程序的运算任务,主要适合在后台运算而不需要太多交互的任务。 Parallel Scavenge收集器提供两个参数用于精确控制吞吐量,分别是控制最大垃圾收起停顿时间的 -XX:MaxGCPauseMillis参数以及直接设置吞吐量大小的-XX:GCTimeRatio参数 Parallel Scavenge收集器还有一个参数:-XX:+UseAdaptiveSizePolicy。这是一个开关参数,当这个参数打开后,就不需要手工指定新生代的大小(-Xmn)、Eden与Survivor区的比例(-XX:SurvivorRatio)、晋升老年代对象年龄(-XX:PretenureSizeThreshold)等细节参数,只需要把基本的内存数据设置好(如-Xmx设置最大堆),然后使用MaxGVPauseMillis参数或GCTimeRation参数给虚拟机设立一个优化目标。 自适应调节策略也是Parallel Scavenge收集器与ParNew收集器的一个重要区别。

4.Serial Old 收集器

Serial Old是Serial收集器的老年代版本,它同样是一个单线程收集器,使用标记整理算法。这个收集器的主要意义也是在于给Client模式下的虚拟机使用。

如果在Server模式下,主要两大用途:

(1)在JDK1.5以及之前的版本中与Parallel Scavenge收集器搭配使用

(2)作为CMS收集器的后备预案,在并发收集发生Concurrent Mode Failure时使用

5.Parallel Old 收集器

Parallel Old 是Parallel Scavenge收集器的老年代版本,使用多线程和“标记-整理”算法。这个收集器在1.6中才开始提供。

6.CMS收集器

CMS(Concurrent Mark Sweep)收集器是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器。目前很大一部分的Java应用集中在互联网站或者B/S系统的服务端上,这类应用尤其重视服务器的响应速度,希望系统停顿时间最短,以给用户带来较好的体验。CMS收集器就非常符合这类应用的需求

CMS收集器是基于“标记-清除”算法实现的。它的运作过程相对前面几种收集器来说更复杂一些,整个过程分为4个步骤:

(1)初始标记

(2)并发标记

(3)重新标记

(4)并发清除

其中,初始标记、重新标记这两个步骤仍然需要“Stop The World”.

CMS收集器

CMS收集器主要优点:并发收集,低停顿。

CMS三个明显的缺点:

(1)CMS收集器对CPU资源非常敏感。CPU个数少于4个时,CMS对于用户程序的影响就可能变得很大,为了应付这种情况,虚拟机提供了一种称为“增量式并发收集器”的CMS收集器变种。所做的事情和单CPU年代PC机操作系统使用抢占式来模拟多任务机制的思想

(2)CMS收集器无法处理浮动垃圾,可能出现“Concurrent Mode Failure”失败而导致另一次Full GC的产生。在JDK1.5的默认设置下,CMS收集器当老年代使用了68%的空间后就会被激活,这是一个偏保守的设置,如果在应用中蓝年代增长不是太快,可以适当调高参数-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction的值来提高触发百分比,以便降低内存回收次数从而获取更好的性能,在JDK1.6中,CMS收集器的启动阀值已经提升至92%。

(3)CMS是基于“标记-清除”算法实现的收集器,手机结束时会有大量空间碎片产生。空间碎片过多,可能会出现老年代还有很大空间剩余,但是无法找到足够大的连续空间来分配当前对象,不得不提前出发FullGC。为了解决这个问题,CMS收集器提供了一个-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection开关参数(默认就是开启的),用于在CMS收集器顶不住要进行FullGC时开启内存碎片合并整理过程,内存整理的过程是无法并发的,空间碎片问题没有了,但停顿时间变长了。虚拟机设计者还提供了另外一个参数-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction,这个参数是用于设置执行多少次不压缩的Full GC后,跟着来一次带压缩的(默认值为0,标识每次进入Full GC时都进行碎片整理)

7. G1收集器 G1收集器的优势:

  • (1)并行与并发
  • (2)分代收集
  • (3)空间整理 (标记整理算法,复制算法)
  • (4)可预测的停顿(G1处理追求低停顿外,还能建立可预测的停顿时间模型,能让使用者明确指定在一个长度为M毫秒的时间片段内,消耗在垃圾收集上的时间不得超过N毫秒,这几乎已经实现Java(RTSJ)的来及收集器的特征)

使用G1收集器时,Java堆的内存布局是整个规划为多个大小相等的独立区域(Region),虽然还保留有新生代和老年代的概念,但新生代和老年代不再是物理隔离的了,它们都是一部分Region的集合。

G1收集器之所以能建立可预测的停顿时间模型,是因为它可以有计划地避免在真个Java堆中进行全区域的垃圾收集。G1跟踪各个Region里面的垃圾堆积的价值大小(回收所获取的空间大小以及回收所需要的时间的经验值),在后台维护一个优先列表,每次根据允许的收集时间,优先回收价值最大的Region(这也就是Garbage-First名称的又来)。这种使用Region划分内存空间以及有优先级的区域回收方式,保证了G1收集器在有限的时间内可以获取尽量可能高的机会效率 G1 内存“化整为零”的思路 在GC根节点的枚举范围中加入Remembered Set即可保证不对全堆扫描也不会遗漏。 如果不计算维护Remembered Set的操作,G1收集器的运作大致可划分为一下步骤:

  • (1)初始标记
  • (2)并发标记
  • (3)最终标记
  • (4)筛选回收

G1收集器

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