JVM虚拟机系列----（三）垃圾回收机制

Java 和C++之间有一堵由内存动态分配和垃圾收集收集技术围成的“高墙”，墙外面的人想进去，墙里面的人想出来。
                   ----周志明《深入理解Java虚拟机》

说起垃圾回收机制（Garbage Collection ，GC），大部分人都以为这项技术是伴随着Java语言产生的。
事实上，GC 比Java的历史久远的多，早在1960年MIT的Lisp是第一门使用内存动态分配和垃圾回收技术的语言。
当时的GC技术，人们就在思考三件事情：
  1、哪些内存需要回收？
  2、什么时候回收？
  3、如何回收？

一、内存回收的区域？

• 程序计数器、本地方法栈、虚拟机栈：这几块内存都是随线程而生，随线程而灭。栈中的栈帧，随着方法的调用入栈和出栈，栈帧的内存大小在编译器就已经可知了，因此内存的分配和回收是确定的，故不需要参加GC。
• 堆：内存的回收的主力区域，对象和数组都保存在此区域。
• 方法区 ：无用的类型信息以及常量都是回收的目标，但是一般进行GC的概率不大，主要是性价比不高。

二、哪些内存需要回收？

要确定哪些内存需要回收，目前有两种常用的方案

• 1、引用计数法：

   给对象添加一个引用计数器，当对象被引用时，计数器的值加1；当对象引用失效时，计数器的值减1，
   当计数器的值为0时，就可以回收了。
   这种方法实现简单，判定效率也很高。是一个不错的算法，微软的Com技术、Python、
   一些脚本语言都用此方法管理内存。
   但主流的Java语言却没有使用这种方式，主要原因是它无法解决对象的相互循环引用问题。
  

如下图所示：

循环引用.png

• 2、可达性分析：

    （1）从GC Roots 作为起点，从这些节点开始向下搜索，搜索经过的链路称为引用链。不在引用链上的（图论中称为可达）都是无用的对象。
    （2）可作为GC Roots 的对象：
          JVM栈中引用的对象（栈帧的局部变量表的对象）
          类中的static引用、final引用
          本地方法栈中引用的对象
  

可达性分析对象是否可用，如下图：

可达性分析

• 3、引用类型介绍：

    i、强引用：JVM即使抛出OOM也不会回收强引用指向的对象
    ii、软引用：描述一些还有用但是并非必须的对象，对于软引用，JVM会在内存溢出前进行第二次回收，如果这次回收还没有足够内存，才会抛出OOM。
    iii、弱引用：同样描述还有用但是非必须的对象，强度比软引用还弱，该引用指向的对象，只能存活到下次GC之前，只要发生GC，就会被回收。
    iv、虚引用：最弱的引用关系，没啥用，为对象设置虚引用关联的唯一目的就是，该对象被回收的时候会收到一个系统通知。
  

• 4、finalize方法：
  对象自救的方法，建议不要使用，在《effective java》等书籍中都不推荐使用，具体原因，读者可以自行查阅。

三、如何进行回收？

• 3.1 标记-清除算法
  原理：首先将无用的内存标记出来，然后统一释放。
  缺点：效率问题，标记和清除的两个过程效率都不高；同时回收后，将会产生大量不连续的内存，空间碎片太多甚至无法满足一个大对象的申请，可能导致提前进行下一次GC。
  效果图如下：

标记-清除回收算法示意图

• 3.2 复制算法
  原理：将内存分为相等的两块，然后每次只使用其中的一块，当发生GC的时候，将有效的对象复制到另一块空白内存，然后把已使用的全部清理。
  优点：简单易行，运行高效，解决了内存碎片的问题。
  缺点：浪费了一半的内存空间
  PS：这种回收算法目前一般应用在堆的新生代回收，当然内存比例也不是1：1，后续在介绍新生代、老年代的时候，我们会再细讲。
  效果图如下：

复制回收算法示意图

• 3.3 标记整理算法
  和标记-清除算法类似，只是在标记之后，不是清除无用对象，而是将所有存活对象，移动到一端，然后清理掉边界意外的内存区域。
  优缺点：这种算法避免内存空间的浪费，同时又解决了内存碎片问题。但是由于移动对象的效率问题，所以该回收算法，一般放在老年代进行。
  示意图如下：

标记整理算法示意图

JVM中的分代回收算法：

现代的JVM虚拟机都采用了分代回收，即分为新生代和老年代，新生代采用复制回收算法，老年代采用标记整理算法。
新生代：

• new出来的对象一般都放在新生代
• hotspot虚拟机新生代分为三块，Eden区、From Survivor、To Survivor区（其中两者相等），大小比例为8：1：1.
• 之所以新生代采用复制算法，并且这样设计大小，是有依据的，IBM研究过新生代的对象98%的对象都熬不到下一次GC，即“朝生夕死”，所以这样设计效率很高。
• 新生代发生GC（minor GC）的时候，会将Eden区存活的对象和Survivor中的对象，一起复制到另外一个Survivor中，然后清空Eden和Survivor区。
• 新生代的对象可能在多次Minor GC后移到老年代。

老年代：
老年代的对象，一般存活时间较长，因此回收效率不高，性价比不高。
老年代的对象一般来自下面几种情况：

• 1、经历多次minor GC未被回收的（一般是15次，在虚拟机中对象有个age属性，通常每经历一次minorGC，对象的age属性+1，当age大于15即放到老年第中）
• 2、new的对象过大，而新生代经历了minor GC之后，依然放不下这个对象，那么这个对象将直接被放入到老年代。
• 3、可通过启动参数设置-XX:PretenureSizeThreshold=1024(单位为字节，默认为0)来代表超过多大时就不在新生代分配，而是直接在老年代分配。
• 4、如1中所述，新生代的某个age的对象，达到新生代Survivor空间一半以上时，大于或等于这个年里的这些对象将会被移到老年代中去。

新生代和老年代的内存图如下：

新生代和老年代

JVM中的GC类型：

上面讲到了新生代和老年代：
这两块区域对应的GC分别为Minor GC和Major GC，这两个GC一起触发叫做Full GC（当然也有资料称Major GC 就是Full GC）

• Minor GC：新生代的GC，由于采用复制回收算法，所以速度很快。
• Major GC：老年代的GC，一般发生时都会伴随一次Minor GC，由于采用标记整理算法，而且Major GC 一般是Minor GC的10倍以上。同时，由于老年代的对象，存活时间一般较长，因此回收的性价比不高。
  一般的，我们要尽量避免Major GC的发生，比如不要频繁申请大块内存，这样新生代放不下就放到了老年代，老年代内存回收，速度慢，就会导致系统卡顿，影响体验。

四、何时出发内存回收（GC）？

• GC有JVM发起，不受应用控制。即使调用system.gc()
  方法也只是建议JVM进行一次GC，而不会立即进行系统的GC操作。
• GC时机：
  新生代：Eden区放不下会进行一次新生代GC，即Minor GC。
  老年代：老年代的内存不够的时候，会触发一次老年代GC，即Major GC，一般都会伴随一次Minor GC。
• JVM进行GC的时候，也不是随时随刻都可以进行的，一般要等到安全节点（safe point）或者安全区域（safe region）才会进行，以在特定的位置记录一些栈的信息，这一块比较复杂，就不在这里展开了。

五、垃圾回收器？

目前所有的垃圾回收器 都不能做到完全并行。至少在对象标记节点，都要暂停所有用户线程（“stop the world”）。
目前新生代的垃圾回收器有Serial、ParNew、Parallel Scavenge，老年代的回收器有Serial old、ParNew Old、CMS等。其中Serial 是单线程的，效率较低，后面的几个在一定程度上做到了并行，效率较高。垃圾回收器一般关注两个点吞吐量、暂停时间。

• 吞吐量：在一定时间内，非暂停时间占的比例，吞吐量高，说明暂停时间端，处理时间长，一般服务器比较关注这些。
• 暂停时间：暂停的时间，就是GC导致的暂停时间，一般客户端应用比较关注这个。

六、JVM内存分配策略？

JVM提倡自动内存管理，最终归结为两个问题：自动分配内存以及自动回收内存。关于回收，上面我们已经将的很细致了，下面我们讲一下内存分配，这将对我们写更高效的代码提供帮助。

• 1、对象优先分配在Eden区：这一点很容易理解
• 2、大对象直接进入老年代：这个对象多大有具体参数设置，我们应该避免“朝生夕死”的大对象，比如大的数组，最糟糕的是一群大对象。当我们申请大对象的时候，即使虚拟机还有空间，也不得不提前GC以申请连续的空间来存放它们。
• 3、长期存活的对象将进入老年代：这个我们前面讲过，默认age超过15 对象将进入老年代，所以如果对象无用了，我们应该及时释放其引用。
• 4、新生代某一个年龄的对象，达到Survivor空间的一半时候，则年龄大于等于该年龄的对象将进入老年代。
• 5、空间分配担保：老年代为了减少Major GC会进行空间分配担保，以节约时间，但是这个有一定风险，具体不在此展开讲了。

参考资料：

1、JVM垃圾回收
2、jvm:停止复制、标记清除、标记整理算法
3、JVM 垃圾回收 Minor gc vs Major gc vs Full gc
4、JVM学习03-内存管理和垃圾回收04（之GC算法 垃圾收集器）
5、Major GC和Full GC的区别是什么？触发条件呢？