JVM的垃圾回收

用户3467126

发布于 2019-08-23 14:58:19

4490

发布于 2019-08-23 14:58:19

文章被收录于专栏：爱编码爱编码

前言

垃圾回收机制是java的一个特性，相较于c/c++程序员需要自己分配内存，在使用结束后自己回收内存而言，Java实在对程序员太友好了（所以头发较多点）。Java的垃圾回收全部都是由虚拟机自动完成的，不需要程序员额外写啥代码。作为一个Java程序猿，学习GC是非常有必要的，根据项目特性，优化GC也是一个优秀程序猿的基本能力之一。

什么是垃圾？

Java中那些不可达的对象就会变成垃圾。那么什么叫做不可达？其实就是没有办法再引用到该对象了。主要有以下情况使对象变为垃圾：

1.对非线程的对象来说，所有的活动线程都不能访问该对象，那么该对象就会变为垃圾。 2.对线程对象来说，满足上面的条件，且线程未启动或者已停止。

例如以下：

(1)改变对象的引用，如置为null或者指向其他对象。

Object x=new Object();//object1
Object y=new Object();//object2
x=y;//object1 变为垃圾
x=y=null;//object2 变为垃圾

(2)超出作用域

if(i==0){
Object x=new Object();//object1
}//括号结束后object1将无法被引用，变为垃圾

(3)类嵌套导致未完全释放

class A{
     A a;
}
A x= new A();//分配一个空间
x.a= new A();//又分配了一个空间
x=null;//将会产生两个垃圾

(4)线程中的垃圾

class A implements Runnable{
     void run(){
          //....
     }
}
//main
A x=new A();//object1
x.start();
x=null;//等线程执行完后object1才被认定为垃圾

JVM中将对象的引用分为了四种类型，不同的对象引用类型会造成GC采用不同的方法进行回收：

（1）强引用：默认情况下，对象采用的均为强引用（GC不会回收）

String s = “123”

（2）软引用：软引用是Java中提供的一种比较适合于缓存场景的应用（只有在内存不够用的情况下才会被GC）

public static void main(String[] args) {
        int[] ints = new int[300 * 1024 * 1024];
        SoftReference softReference = new SoftReference(ints);
        ints = null;
        System.out.println(softReference.get());
        ints = new int[300 * 1024 * 1024];
        System.out.println(softReference.get());

    }

（3）弱引用：在垃圾回收器线程扫描它所管辖的内存区域的过程中，一旦发现了只具有弱引用的对象，不管当前内存空间足够与否，都会回收它的内存。（遇到就回收）

public static void main(String[] args) {

        String s = new String("123");

        ReferenceQueue<Object> objectReferenceQueue = new ReferenceQueue<>();
        WeakReference weakReference = new WeakReference<>(s, objectReferenceQueue);
        s = null;
        System.out.println(weakReference.get());
        System.gc();
        System.out.println(weakReference.get());

    }

（4）虚引用：在GC时一定会被GC回收

就是形同虚设，与其他几种引用都不同，虚引用并不会决定对象的生命周期。如果一个对象仅持有虚引用，那么它就和没有任何引用一样，在任何时候都可能被垃圾回收器回收。虚引用主要用来跟踪对象被垃圾回收器回收的活动。（遇到就回收，必须与ReferenceQueue一起使用）虚引用与软引用和弱引用的一个区别在于：虚引用必须和引用队列（ReferenceQueue）联合使用。当垃圾回收器准备回收一个对象时，如果发现它还有虚引用，就会在回收对象的内存之前，把这个虚引用加入到与之关联的引用队列中。

public static void main(String[] args) {
        String s = new String("123");
        ReferenceQueue<String> objectReferenceQueue = new ReferenceQueue<>();
        PhantomReference phantomReference = new PhantomReference<>(s, objectReferenceQueue);
        System.out.println(phantomReference.get());
        s = null;
        System.gc();
        System.out.println(objectReferenceQueue.poll() == phantomReference);
        System.out.println(phantomReference.get());

    }

JVM的内存空间

JVM的内存空间，从大的层面上来分析包含：新生代空间(Young)和老年代空间（Old）。新生代空间（Young）又被分为2个部分（Eden区域、Survivous区域）和3个板块（1个Eden区域和2个Survivous区域）

下边来看下具体每部分都是用来干什么的。

1）Eden(伊甸园)区域：用来存放使用new或者newInstance等方式创建的对象，默认这些对象都是存放在Eden区，除非这个对象太大，或者超出了设定的阈值 -XX:PretenureSizeThresold，这样的对象会被直接分配到Old区域。

2）2个Survivous(幸存)区域：一般称为S0，S1，理论上他们一样大。

下边将会讲解它们如何工作的。

第一次GC

在不断创建对象的过程中，当Eden区域被占满，此时会开始做Young GC也叫Minor GC

1）第一次GC时Survivous中S0区和S1区都为空，将其中一个作为To Survivous(用来存储Eden区域执行GC后不能被回收的对象)。比如：将S0作为To Survivous，则S1为From Survivous。

2）将Eden区域经过GC不能被回收的对象存储到To Survivous（S0）区域（此时Eden区域的内存会在垃圾回收的过程中全部释放），但如果To Survivous（S0）被占满了，Eden中剩下不能被回收对象只能存放到Old区域。

3）将Eden区域空间清空，此时From Survivous区域（S1）也是空的。

4）S0与S1互相切换标签，S0为From Survivous，S1为To Survivous。

第二次GC

当第二次Eden区域被占满时，此时开始做GC

1）将Eden和From Survivous(S0)中经过GC未被回收的对象迁移到To Survivous(S1)，如果To Survious(S1)区放不下，将剩下的不能回收对象放入Old区域；

2）将Eden区域空间和From Survivous（S0）区域空间清空；

3）S0与S1互相切换标签，S0为To Survivous，S1为From Survivous。

第三次，第四次一次类推，始终保证S0和S1有一个空的，用来存储临时对象，用于交换空间的目的。反反复复多次没有被淘汰的对象，将会被放入Old区域中，默认15次（由参数 --XX:MaxTenuringThreshold=15 决定）。

GC的一些算法

JVM要实现自动回收垃圾，那么它就需要判断，哪些内存可以回收，哪些不行。

引用计数算法

正如算法名，这个算法就是给对象增加一个引用计数，每当对象被别的对象引用时，就将该对象的引用计数加一。所以当一个对象的引用计数为0的话，那么就说明这个对象没有被任何对象使用，那么JVM就可以认为这个对象是可以回收的对象啦。

优点：它的效率非常高，能非常直观的判断一个对象是否能被回收。缺点： 1.无法区分循环引用的对象（A引用了B，B引用了A），这2个对象的引用计数永远不可能为0，这2个对象无法被JVM回收。 2.需要维护对象引用计数的值。

可达性算法

　为了解决引用计数算法的缺点，所以就有了可达性算法，这个算法就是通过 GC Roots 的对象作为起始点，然后通过这个节点往下找他引用的对象，直到最外层的叶子节点。当一个对象无法被 GC Roots 找到时，那么它就是可回收对象。

GC Roots对象的包括如下几种：

1).虚拟机栈中的本地变量表中的引用的对象 2).方法区中的类静态属性引用的对象 3).方法区中的常量引用的对象 4).本地方法栈中JNI的引用的对象

标记清除算法

这是最基础的垃圾回收算法，之所以说它是最基础的是因为它最容易实现，思想也是最简单的。标记-清除算法分为两个阶段：标记阶段和清除阶段。标记阶段的任务是标记出所有需要被回收的对象，清除阶段就是回收被标记的对象所占用的空间。

该算法会产生大量的内存碎片，可能会导致当JVM要分配大对象内存时，不能找到可用的内存空间的问题。

复制

　将内存划分为等大小的两块。每次只使用其中一块，当这一块内存满后将尚存活的对象复制到另一块上去，然后把满的那块内存清掉。

不会产生内存碎片了，但是可利用的内存将变成原来内存的一半，而且需要付出复制内存对象带来的消耗。

标记压缩

结合了以上两个算法，为了避免缺陷而提出。*先找出存活对象，然后把存活的对象移向内存的一端。然后清除端边界外的对象。 *

分代收集算法

分代收集法是目前大部分JVM所采用的方法，其核心思想是根据对象存活的不同生命周期将内存划分为不同的域，一般情况下将GC堆划分为新生代，老生代，永久代（元数据区）。因为不同的区域，其存储对象的特点不同，因此可以根据不同区域选择不同的算法。新生代的特点是每次垃圾回收时都有大量垃圾需要被回收，回收频率很高，老生代的特点是每次垃圾回收时只有少量对象需要被回收，回收频率很低。

垃圾回收器

年轻代垃圾回收器

有serial、parallel new、parallel sacvenge垃圾回收器。

serial

单线程回收垃圾，它在进行垃圾收集时，必须暂停其他所有的工作线程，直到它收集完成。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。

parallel new

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 World、对象分配规则、回收策略等都与Serial 收集器完全一样。

parallel sacvenge

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，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 MaxGCPauseMillis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

老年代垃圾回收器

老年代的垃圾回收器，它是一个单线程收集器，使用标记整理算法。

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

Serial Old收集器的工作过程

Parallel Old

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。

concurrent mark sweep

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收集器主要优点：并发收集，低停顿。

CMS的缺点：

（1）CMS回收器采用的基础算法是Mark-Sweep。所有CMS不会整理、压缩堆空间。这样就会有一个问题：经过CMS收集的堆会产生空间碎片。CMS不对堆空间整理压缩节约了垃圾回收的停顿时间，但也带来的堆空间的浪费。为了解决堆空间浪费问题，CMS回收器不再采用简单的指针指向一块可用堆空间来为下次对象分配使用。而是把一些未分配的空间汇总成一个列表，当JVM分配对象空间的时候，会搜索这个列表找到足够大的空间来存下这个对象。

（2）CMS的另一个缺点是它需要更大的堆空间。因为CMS标记阶段应用程序的线程还是在执行的，那么就会有堆空间继续分配的情况，为了保证在CMS回收完堆之前还有空间分配给正在运行的应用程序，必须预留一部分空间。也就是说，CMS不会在老年代满的时候才开始收集。相反，它会尝试更早的开始收集，已避免上面提到的情况：在回收完成之前，堆没有足够空间分配！在JDK1.6中，CMS收集器的启动阀值已经提升至92%。CMS就开始行动了。–XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=n 来设置这个阀值。

（3）需要更多的CPU资源。从上面的图可以看到，为了让应用程序不停顿，CMS线程和应用程序线程并发执行，这样就需要有更多的CPU，单纯靠线程切换是不靠谱的。并且，重新标记阶段，为空保证STW快速完成，也要用到更多的甚至所有的CPU资源。

G1JAVA8之后广泛使用，G1 将整个对区域划分为若干个Region，每个Region的大小是2的倍数（1M,2M,4M,8M,16M,32M，通过设置堆的大小和Region数量计算得出。Region区域划分与其他收集类似，不同的是单独将大对象分配到了单独的region中，会分配一组连续的Region区域（Humongous start 和 humonous Contoinue 组成），所以一共有四类Region（Eden，Survior，Humongous和Old）， G1 作用于整个堆内存区域，设计的目的就是减少Full GC的产生。在Full GC过程中由于G1 是单线程进行，会产生较长时间的停顿。G1的OldGc标记过程可以和yongGc并行执行，但是OldGc一定在YongGc之后执行，即MixedGc在yongGC之后执行。

各收集器间的搭配关系

GC常用参数配置

为GC进行JVM进行调优有非常多的书可以看。但是为面试准备了解几个是很好的。

-XX:-UseConcMarkSweepGC: 对老年代使用CMS收集器
-XX:-UseParallelGC: 对新生代使用 Parallel GC
-XX:-UseParallelOldGC: 在老年代和新生代都使用 Parallel GC
-XX:-HeapDumpOnOutOfMemoryError: 当应用发生OOM时创建一个线程转储（dump）。对诊断非常有用。
-XX:-PrintGCDetails: 打印GC的详细日志
-Xms512m: 设置初始堆大小为 512m
-Xmx1024m: 设置最大堆大小为 1024m
-XX:NewSize 和 -XX:MaxNewSize: 指定新生代的默认和最大空间。
-XX:NewRatio=3: 设置新生代和老年代大小的比例为 1:3
-XX:SurvivorRatio=10: 设置 Eden space 和 Survivor space 的比例

送上一张大图

参考文章

https://www.cnblogs.com/yy3b2007com/p/10975870.html https://blog.csdn.net/u010779707/article/details/81001258 https://blog.csdn.net/niunai112/article/details/81071438 https://blog.csdn.net/dadiyang/article/details/82823447 https://www.jianshu.com/p/8eabaf631d15

本文参与腾讯云自媒体分享计划，分享自微信公众号。

原始发表：2019-08-20，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

企业