GC - Java 垃圾回收机制教科书级教学

什么是 Java GC

Java GC就是通过GC收集器回收不在存活的对象，保证JVM更加高效的运转。

注意：垃圾收集主要是针对堆和方法区进行；程序计数器、虚拟机栈和本地方法栈这三个区域属于线程私有的，只存在于线程的生命周期内，线程结束之后也会消失，因此不需要对这三个区域进行垃圾回收。

判断一个对象是否可被回收

¶ 1. 引用计数算法

给对象添加一个引用计数器，当对象增加一个引用时计数器加 1，引用失效时计数器减 1。引用计数为 0 的对象可被回收。

两个对象出现循环引用的情况下，此时引用计数器永远不为 0，导致无法对它们进行回收。

正因为循环引用的存在，因此 Java 虚拟机不使用引用计数算法。

public class ReferenceCountingGC {
public Object instance = null;
public static void main(String[] args) {
ReferenceCountingGC objectA = new ReferenceCountingGC();
ReferenceCountingGC objectB = new ReferenceCountingGC();
objectA.instance = objectB;
objectB.instance = objectA;

¶ 2. 可达性分析算法

通过 GC Roots 作为起始点进行搜索，能够到达到的对象都是存活的，不可达的对象可被回收。

Java 虚拟机使用该算法来判断对象是否可被回收，在 Java 中 GC Roots 一般包含以下内容:

• 虚拟机栈中引用的对象
• 本地方法栈中引用的对象
• 方法区中类静态属性引用的对象
• 方法区中的常量引用的对象

¶ 3. 方法区的回收

因为方法区主要存放永久代对象，而永久代对象的回收率比新生代低很多，因此在方法区上进行回收性价比不高。

主要是对常量池的回收和对类的卸载。

在大量使用反射、动态代理、CGLib 等 ByteCode 框架、动态生成 JSP 以及 OSGi 这类频繁自定义 ClassLoader 的场景都需要虚拟机具备类卸载功能，以保证不会出现内存溢出。

类的卸载条件很多，需要满足以下三个条件，并且满足了也不一定会被卸载:

• 该类所有的实例都已经被回收，也就是堆中不存在该类的任何实例。
• 加载该类的 ClassLoader 已经被回收。
• 该类对应的 Class 对象没有在任何地方被引用，也就无法在任何地方通过反射访问该类方法。

可以通过 -Xnoclassgc 参数来控制是否对类进行卸载。

¶ 引用类型

无论是通过引用计算算法判断对象的引用数量，还是通过可达性分析算法判断对象是否可达，判定对象是否可被回收都与引用有关。

Java 具有四种强度不同的引用类型。

¶ 1. 强引用

被强引用关联的对象不会被回收。

使用 new 一个新对象的方式来创建强引用。

Object obj = new Object();

¶ 2. 软引用

被软引用关联的对象只有在内存不够的情况下才会被回收。

使用 SoftReference 类来创建软引用。

Object obj = new Object();
SoftReference<Object> sf = new SoftReference<Object>(obj);

¶ 3. 弱引用

被弱引用关联的对象一定会被回收，也就是说它只能存活到下一次垃圾回收发生之前。

使用 WeakReference 类来实现弱引用。

Object obj = new Object();
WeakReference<Object> wf = new WeakReference<Object>(obj);

4. 虚引用

又称为幽灵引用或者幻影引用。一个对象是否有虚引用的存在，完全不会对其生存时间构成影响，也无法通过虚引用取得一个对象。

为一个对象设置虚引用关联的唯一目的就是能在这个对象被回收时收到一个系统通知。

使用 PhantomReference 来实现虚引用。

Object obj = new Object();
PhantomReference<Object> pf = new PhantomReference<Object>(obj);

垃圾回收算法

¶ 1. 标记 - 清除

将存活的对象进行标记，然后清理掉未被标记的对象。

不足:

• 标记和清除过程效率都不高；
• 会产生大量不连续的内存碎片，导致无法给大对象分配内存。

¶ 2. 标记 - 整理

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。

¶ 3. 复制

将内存划分为大小相等的两块，每次只使用其中一块，当这一块内存用完了就将还存活的对象复制到另一块上面，然后再把使用过的内存空间进行一次清理。

主要不足是只使用了内存的一半。

现在的商业虚拟机都采用这种收集算法来回收新生代，但是并不是将新生代划分为大小相等的两块，而是分为一块较大的 Eden 空间和两块较小的 Survivor 空间，每次使用 Eden 空间和其中一块 Survivor。在回收时，将 Eden 和 Survivor 中还存活着的对象一次性复制到另一块 Survivor 空间上，最后清理 Eden 和使用过的那一块 Survivor。

HotSpot 虚拟机的 Eden 和 Survivor 的大小比例默认为 8:1，保证了内存的利用率达到 90%。如果每次回收有多于 10% 的对象存活，那么一块 Survivor 空间就不够用了，此时需要依赖于老年代进行分配担保，也就是借用老年代的空间存储放不下的对象。

¶ 4. 分代收集

现在的商业虚拟机采用分代收集算法，它根据对象存活周期将内存划分为几块，不同块采用适当的收集算法。

一般将堆分为新生代和老年代。

• 新生代使用: 复制算法
• 老年代使用: 标记 - 清除 或者 标记 - 整理 算法

¶ 垃圾收集器

如果说收集算法是内存回收的方法论，垃圾收集器就是内存回收的具体实现以上是 HotSpot 虚拟机中的 7 个垃圾收集器，连线表示垃圾收集器可以配合使用。

• 单线程与多线程: 单线程指的是垃圾收集器只使用一个线程进行收集，而多线程使用多个线程；
• 串行与并行: 串行指的是垃圾收集器与用户程序交替执行，这意味着在执行垃圾收集的时候需要停顿用户程序；并形指的是垃圾收集器和用户程序同时执行。除了 CMS 和 G1 之外，其它垃圾收集器都是以串行的方式执行。

¶ 内存分配与回收策略

¶ Minor GC、Major GC、Full GC

JVM 在进行 GC 时，并非每次都对堆内存（新生代、老年代；方法区）区域一起回收的，大部分时候回收的都是指新生代。

针对 HotSpot VM 的实现，它里面的 GC 按照回收区域又分为两大类：部分收集（Partial GC），整堆收集（Full GC）

• 部分收集：不是完整收集整个 Java 堆的垃圾收集。其中又分为：
  • 目前只有 G1 GC 会有这种行为
  • 目前，只有 CMS GC 会有单独收集老年代的行为
  • 很多时候 Major GC 会和 Full GC 混合使用，需要具体分辨是老年代回收还是整堆回收
  • 新生代收集（Minor GC/Young GC）：只是新生代的垃圾收集
  • 老年代收集（Major GC/Old GC）：只是老年代的垃圾收集
  • 混合收集（Mixed GC）：收集整个新生代以及部分老年代的垃圾收集
• 整堆收集（Full GC）：收集整个 Java 堆和方法区的垃圾

¶ 内存分配策略

¶ 1. 对象优先在 Eden 分配

大多数情况下，对象在新生代 Eden 区分配，当 Eden 区空间不够时，发起 Minor GC。

¶ 2. 大对象直接进入老年代

大对象是指需要连续内存空间的对象，最典型的大对象是那种很长的字符串以及数组。

经常出现大对象会提前触发垃圾收集以获取足够的连续空间分配给大对象。

-XX:PretenureSizeThreshold，大于此值的对象直接在老年代分配，避免在 Eden 区和 Survivor 区之间的大量内存复制。

¶ 3. 长期存活的对象进入老年代

为对象定义年龄计数器，对象在 Eden 出生并经过 Minor GC 依然存活，将移动到 Survivor 中，年龄就增加 1 岁，增加到一定年龄则移动到老年代中。

-XX:MaxTenuringThreshold 用来定义年龄的阈值。

¶ 4. 动态对象年龄判定

虚拟机并不是永远地要求对象的年龄必须达到 MaxTenuringThreshold 才能晋升老年代，如果在 Survivor 中相同年龄所有对象大小的总和大于 Survivor 空间的一半，则年龄大于或等于该年龄的对象可以直接进入老年代，无需等到 MaxTenuringThreshold 中要求的年龄。

¶ 5. 空间分配担保

在发生 Minor GC 之前，虚拟机先检查老年代最大可用的连续空间是否大于新生代所有对象总空间，如果条件成立的话，那么 Minor GC 可以确认是安全的。

如果不成立的话虚拟机会查看 HandlePromotionFailure 设置值是否允许担保失败，如果允许那么就会继续检查老年代最大可用的连续空间是否大于历次晋升到老年代对象的平均大小，如果大于，将尝试着进行一次 Minor GC；如果小于，或者 HandlePromotionFailure 设置不允许冒险，那么就要进行一次 Full GC。

¶ Full GC 的触发条件

对于 Minor GC，其触发条件非常简单，当 Eden 空间满时，就将触发一次 Minor GC。而 Full GC 则相对复杂，有以下条件:

¶ 1. 调用 System.gc()

只是建议虚拟机执行 Full GC，但是虚拟机不一定真正去执行。不建议使用这种方式，而是让虚拟机管理内存。

¶ 2. 老年代空间不足

老年代空间不足的常见场景为前文所讲的大对象直接进入老年代、长期存活的对象进入老年代等。

为了避免以上原因引起的 Full GC，应当尽量不要创建过大的对象以及数组。除此之外，可以通过 -Xmn 虚拟机参数调大新生代的大小，让对象尽量在新生代被回收掉，不进入老年代。还可以通过 -XX:MaxTenuringThreshold 调大对象进入老年代的年龄，让对象在新生代多存活一段时间。

¶ 3. 空间分配担保失败

使用复制算法的 Minor GC 需要老年代的内存空间作担保，如果担保失败会执行一次 Full GC。具体内容请参考上面的第五小节。

¶ 4. JDK 1.7 及以前的永久代空间不足

在 JDK 1.7 及以前，HotSpot 虚拟机中的方法区是用永久代实现的，永久代中存放的为一些 Class 的信息、常量、静态变量等数据。

当系统中要加载的类、反射的类和调用的方法较多时，永久代可能会被占满，在未配置为采用 CMS GC 的情况下也会执行 Full GC。如果经过 Full GC 仍然回收不了，那么虚拟机会抛出 java.lang.OutOfMemoryError。

为避免以上原因引起的 Full GC，可采用的方法为增大永久代空间或转为使用 CMS GC。

¶ 5. Concurrent Mode Failure

执行 CMS GC 的过程中同时有对象要放入老年代，而此时老年代空间不足(可能是 GC 过程中浮动垃圾过多导致暂时性的空间不足)，便会报 Concurrent Mode Failure 错误，并触发 Full GC。

如何获取 Java GC日志

一般情况可以通过两种方式来获取GC日志，一种是使用命令动态查看，一种是在容器中设置相关参数打印GC日志。

命令动态查看

Java 自动的工具行命令，jstat可以用来动态监控JVM内存的使用，统计垃圾回收的各项信息。

比如常用命令， jstat-gc 统计垃圾回收堆的行为

S0C    S1C     S0U     S1U   EC       EU        OC         OU        PC       PU         YGC    YGCT    FGC    FGCT     GCT  


26112.0 24064.0 6562.5  0.0   564224.0 76274.5   434176.0   388518.

也可以设置间隔固定时间来打印：

$ jstat -gc 1262 2000 20

这个命令意思就是每隔2000ms输出1262的gc情况，一共输出20次

GC参数

JVM的GC日志的主要参数包括如下几个：

• -XX:+PrintGC 输出GC日志
• -XX:+PrintGCDetails 输出GC的详细日志
• -XX:+PrintGCTimeStamps 输出GC的时间戳（以基准时间的形式）
• -XX:+PrintGCDateStamps 输出GC的时间戳（以日期的形式，如 2017-09-04T21:53:59.234+0800）
• -XX:+PrintHeapAtGC 在进行GC的前后打印出堆的信息
• -Xloggc:../logs/gc.log 日志文件的输出路径

在生产环境中，根据需要配置相应的参数来监控JVM运行情况。

Tomcat 设置示例

我们经常在tomcat的启动参数中添加JVM相关参数，这里有一个典型的示例：

JAVA_OPTS="-server -Xms2000m -Xmx2000m -Xmn800m -XX:PermSize=64m -XX:MaxPermSize=256m -XX:SurvivorRatio=4

-verbose:gc -Xloggc:$CATALINA_HOME/logs/gc.log

-XX:+PrintGCTimeStamps -XX:+PrintGCDetails

-Dsun.rmi.dgc.server.gcInterval=600000 -Dsun.rmi.dgc.client.gcInterval=600000

-XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:MaxTenuringThreshold=15"

根据上面的参数我们来做一下解析：

-Xms2000m-Xmx2000m-Xmn800m-XX:PermSize=64m-XX:MaxPermSize=256m Xms，即为jvm启动时得JVM初始堆大小,Xmx为jvm的最大堆大小，xmn为新生代的大小，permsize为永久代的初始大小，MaxPermSize为永久代的最大空间。

-XX:SurvivorRatio=4 SurvivorRatio为新生代空间中的Eden区和救助空间Survivor区的大小比值，默认是32，也就是说Eden区是 Survivor区的32倍大小，要注意Survivo是有两个区的，因此Surivivor其实占整个young genertation的1/34。调小这个参数将增大survivor区，让对象尽量在survitor区呆长一点，减少进入年老代的对象。去掉救助空间的想法是让大部分不能马上回收的数据尽快进入年老代，加快年老代的回收频率，减少年老代暴涨的可能性，这个是通过将-XX:SurvivorRatio 设置成比较大的值（比如65536)来做到。

-verbose:gc-Xloggc:$CATALINA_HOME/logs/gc.log 将虚拟机每次垃圾回收的信息写到日志文件中，文件名由file指定，文件格式是平文件，内容和-verbose:gc输出内容相同。

-Djava.awt.headless=true Headless模式是系统的一种配置模式。在该模式下，系统缺少了显示设备、键盘或鼠标。

-XX:+PrintGCTimeStamps-XX:+PrintGCDetails

如何分析GC日志

摘录GC日志一部分

Young GC回收日志:

2016-07-05T10:43:18.093+0800: 25.395: [GC [PSYoungGen: 274931K->10738K(274944K)] 371093K->147186K(450048K), 0.0668480 secs] [Times: user=0.17 sys=0.08, real=0.07 secs]

Full GC回收日志:

2016-07-05T10:43:18.160+0800: 25.462: [Full GC [PSYoungGen: 10738K->0K(274944K)] [ParOldGen: 136447K->140379K(302592K)] 147186K->140379K(577536K) [PSPermGen: 85411K->85376K(171008K)], 0.6763541 secs] [Times: user=1.75 sys=0.02, real=0.68 secs]

通过上面日志分析得出，PSYoungGen、ParOldGen、PSPermGen属于Parallel收集器。其中PSYoungGen表示gc回收前后年轻代的内存变化；ParOldGen表示gc回收前后老年代的内存变化；PSPermGen表示gc回收前后永久区的内存变化。young gc 主要是针对年轻代进行内存回收比较频繁，耗时短；full gc 会对整个堆内存进行回城，耗时长，因此一般尽量减少full gc的次数

通过两张图非常明显看出gc日志构成：

Young GC日志:

Full GC日志:

GC分析工具

GC Easy

这是一个web工具,在线使用非常方便.

地址: http://gceasy.io

进入官网，讲打包好的zip或者gz为后缀的压缩包上传，过一会就会拿到分析结果。

推荐使用此工具进行gc分析。

参考

• GC算法 垃圾收集器(opens new window)
• GC - Java 垃圾回收基础知识 | Java 全栈知识体系
• Java GC 分析(opens new window)
• Java应用频繁FullG分析