JVM的垃圾回收

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。

G1
JAVA8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

Java内存区域

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

最后

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