02 JVM垃圾回收机制

作者: 攻城老狮 | 来源:发表于2021-09-14 08:56 被阅读0次

1 对象回收判断

1.1 引用计数法

每个对象有个引用计数器，当对象被引用一次则计数器加1，当对象引用失效一次则计数器减1，对于计数器为0的对象意味着是垃圾对象，可以被GC回收。

引用计数法优点：实现逻辑简单
引用计数法缺点：无法解决循环引用问题；目前没有在使用

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1.2 可达性分析算法

从GC Roots作为起点开始搜索，那么整个连通图中的对象便都是活对象，对于GC Roots无法到达的对象便成了垃圾回收的对象，随时可被GC回收。

Java 虚拟机中的垃圾回收器采用可达性分析来探索所有存活的对象
扫描堆中的对象，看是否能够沿着 GC Root 对象为起点的引用链找到该对象，找不到表示可以回收

GC root对象：

虚拟机栈中引用的对象

虚拟机栈中的引用的对象可以作为GC Root。我们程序在虚拟机的栈中执行，每次函数调用都是一次入栈。在栈中包括局部变量表和操作数栈，局部变量表中的变量可能为引用类型(reference)，他们引用的对象即可作为GC Root。不过随着函数调用结束出栈，这些引用便会消失。

方法区中类静态属性引用的对象

我们在类中使用的static声明的引用类型字段

Class Dog {
    private static Object tail;
}

方法区中常量引用的对象

在类中使用final声明的引用类型字段

Class Dog {
    private final Object tail;
}

本地方法栈中引用的对象

native本地方法引用的对象

1.3 四种引用：强、软、弱和虚引用

强引用

只有所有GC Roots 对象都不通过【强引用】引用该对象，该对象才能被垃圾回收

软引用

仅有软引用引用该对象时，在垃圾回收后，内存仍不足时会再次触发垃圾回收，回收软引用对象
可以配合引用队列来释放软引用自身

弱引用

仅有弱引用引用该对象时，在垃圾回收时，无论内存是否充足，都会回收弱引用对象
可以配合引用队列来释放弱引用自身

虚引用

必须配合引用队列使用，主要配合ByteBuffer使用，被引用对象回收时，会将虚引用入队，由Reference Handler线程调用虚引用相关方法释放直接内存

终结器引用

无需手动编码，但其内部配合引用队列使用，在垃圾回收时，终结器引用入队（被引用对象暂时没有被回收），再由Finalizer线程通过终结器引用找到被引用对象并调用它的 finalize方法，第二次GC 时才能回收被引用对象

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2 垃圾回收算法

2.1 标记清除（Mark Sweep）

分为标记和清除两阶段：首先标记出所有需要回收的对象，然后统一回收所有被标记的对象。

速度较快
会造成内存碎片，导致在程序运行过程中需要分配较大对象的时候，无法找到足够的连续内存而不得不提前触发一次垃圾收集动作。

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2.2 标记整理（Mark Compact）

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。

速度慢
没有内存碎片

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2.3 复制（Copy）

将可用内存容量划分为大小相等的两块，每次只用其中一块。当这块内存用完了，就将还存活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。自带整理功能，这样不会产生大量不连续的内存空间，适合新生代垃圾回收。

不会有内存碎片，但效率也不是很高
需要占用双倍内存空间

注解：初看标记整理和复制算法没有什么区别，但是实现的复杂度还是有差别的, 尤其是在需要多线程并行的支持上, "整理"这种"原地"复制会带来很大的复杂度,这种复杂度肯定会带来开销,远没有复制到新内存区简单高效。

3 分代垃圾回收

当前商业虚拟机的垃圾收集都采用分代收集。将上述三种算法整合，不同的区域使用不同的垃圾回收算法。

根据各个年代的特点采取最适当的收集算法：

在新生代中，每次垃圾收集时候都发现有大批对象死去，只有少量存活，那就选用复制算法。只需要付出少量存活对象的复制成本就可以完成收集。
老年代中因为对象存活率高、没有额外空间对他进行分配担保，就必须用标记-清除或者标记-整理。

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分配流程：

对象首先分配在伊甸园区域。
新生代空间不足时，触发minor gc，伊甸园和 from存活的对象使用 copy 复制到 to中，存活的对象年龄加1 并且交换 from to区域的对象。minor gc 会引发stop the word，暂停其它用户线程，等垃圾回收结束，用户线程才恢复运行。
当对象寿命超过阈值时，会晋升至老年代，最大寿命15 （4bit）。
当老年代空间不足，会先尝试触发minor gc，如果之后空间仍不足，那么触发full gc，STW的时间更长。

4 垃圾回收器

4.1 串行垃圾回收器

Serial（串行）垃圾收集器是最基本、发展历史最悠久的收集器；JDK1.3.1前是HotSpot新生代收集的唯一选择。

单线程
垃圾回收发生的时候，其它线程都暂停
适用于堆内存较小的时候
适合个人电脑

-XX:+UseSerialGC = Serial + SerialOld  // -XX:+UseSerialGC   添加该参数来显示的使用串行垃圾收集器

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4.2 吞吐量优先垃圾回收器

多线程
堆内存较大，多核CPU
让单位时间内，STW的时间最短 0.2 0.2 = 0.4

-XX:+UseParallelGC    ~    -XX:+UseParallelOldGC // JDK1.8默认开启，只要开启UseParallelGC，就对应开启
-XX:+UseAdaptiveSizePolicy  // 自适应动态调整伊甸园和幸存区的内存比例
-XX:GCTimeRatio=ratio       // 目标1：1 / (1 + ratio)  一般设置ratio为19，20分钟垃圾回收不超过1分钟；会动态调整堆空间大小适应
-XX:MaxGCPauseMillis=ms     // 目标2：最大暂停用户线程时间，默认200ms
-XX:ParallelGCThreads=n     // 垃圾回收线程数
                            // 垃圾回收时，CPU会飚得很高

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4.3 响应时间优先垃圾回收器

多线程
堆内存较大，多核CPU
尽可能让单次STW的时间最短 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 = 0.5

-XX:+UseConcMarkSweepGC   ~    -XX:+UseParNewGC     ~     SerialOld
-XX:ParallelGCThreads=n   ~    -XX:ConcGCThread=threads // ParallelGCThreads为4，则ConcGCThread应该是ParallelGCThreads的1/4，对CPU占用没有Par那么高
-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=percent // 执行CMS执行占比，预留空间给浮动垃圾
-XX:+CMSScavengeBeforeRemark   // 在CMS垃圾标记前开启新生代垃圾回收，这样重新标记对象要少得多，Full GC时间从接近2秒，降低到300ms左右
//CMS致命问题：CMS会产生内存碎片，如果内存碎片过多，垃圾回收会退化到SerialOld单线程垃圾回收器

初始标记：仅仅单线程标记GC Roots的直接关联对象，并且STW，这个过程非常短暂，可以忽略不计；

并发标记：使用GC Roots Tracing算法，进行跟踪标记RC Roots间接相关的对象，不会STW；

重新标记：因为之前并发标记，其他用户线程不暂停，可能产生了新垃圾，所以需要重新标记；

清除垃圾：与用户线程并行执行垃圾回收，使用清除算法

CMS缺点：因为与用户工作程一起并发执行，所以会边清理，一边会产生新的垃圾

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4.4 G1 垃圾回收器

Garbage First，优先回收最有价值的垃圾区域。2004 论文发布；2009 JDK 6u14体验；2012 JDK 7u4官方支持；2017 JDK 9默认，同时废弃了CMS垃圾回收。

G1垃圾回收器，使用标记-整理算法，可以避免CMS标记-清除算法产生的内存碎片问题；在两个Region区域之间，则是使用复制算法。JDK8没有默认G1垃圾回收器，需要手动开启G1

同时注重吞吐量（Throughput）和低延迟（Low latency），默认的暂停目标是200ms
超大堆内存，会将堆划分为多个大小相等的Region (区域)
整体上是标记 + 整理算法，两个区域之间是复制算法

-XX:+UseG1GC
-XX:G1HeapRegionSize=size   // 设置Region区域大小
-XX:MaxGCPauseMillis=time   // 设置暂停目标，默认是200ms

4.4.1 G1垃圾回收阶段

Young Collection
Young Collection + Concurrent Mark
Mixed Collection

4.4.2 Young Collection阶段（会STW）

如果伊甸园进行垃圾回收，则会将伊甸园区存活的对象使用复制算法到Survivor区

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当Survivor进行垃圾回收时，对象年龄超过15次，放入老年代；年龄不足15次放入另一个Survivor区域

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4.4.3 Young Collection + CM（新生代回收 + CM）

在Young GC 时会 GC Root 的初始标记
老年代占用堆空间比例达到阈值时，进行并发标记（不会STW），由下面的JVM参数决定

-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=percent (默认45%)

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4.4.4 Mixed Collection（混合回收）

会对E、S、O进行全面垃圾回收

最终标记（Remark）会STW
拷贝存活（Evacuation）会STW ，并不是所有老年代区域都会回收，而是回收最有价值

-XX:MaxGCPauseMillis=ms //GC最大的暂停时间

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4.4.5 Young Collection 跨代引用

新生代回收的跨代引用（老年代引用新生代）问题

如果遍历整个老年代根对象，显然效率会非常低；老年代设计对应一个卡表，每个卡512K，如果某个卡中的对象引用了对象，我们将此卡标记为脏卡，减少扫描范围，提升垃圾回收效率。

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4.4.6 Remark 重标记

在对象引用改变之前，采用写屏障，表示未处理完毕；同时将对象存入一个引用队列进行处理

5 垃圾回收调优

调优原则：让长时间存活对象尽快晋升，如果长时间存活对象大量停留在新生代，新生代采用复制算法，复制来复制去，性能较低而且是个负担

5.1 调优领域

内存
锁竞争
cpu占用
io

5.2 确定调优目标

科学运算，追求高吞吐量；互联网项目追求低延迟；高吞吐量垃圾回收，目前没有太多选择就一个ParallelGC；

低延迟垃圾回收，可以选CMS，G1， ZGC。目前互联公司还是很多在用CMS，JDK9 默认G1，不推荐CMS；因为CMS采用标记-清除算法会产生内存碎片，内存碎片多了之后会退化为serialOld，产生大幅度、长时间停顿，给用户的体验是不稳定

5.3 调优考虑方面

数据是不是太多

resultSet = statement.executeQuery("select * from 大表") ，可以加限定条数 limit n

数据表示是否太臃肿

对象图
java对象最小也是16字节，Integer 16字节， int 4；所以我们在选则数据类型时尽量选用基本数据类型

是否存在内存泄漏

比如定义了一个静态的Map，static Map map ，然后不停地向里面添加数据
在内存紧张时，可以使用软引用
在内存不足时，可以使用弱引用
缓存数据时，尽量使用第三方缓存实现，比如redis/memcache，减少对堆内存依赖

5.4 新生代调优

新生代的特点
- 所有的new 操作的内存分配非常廉价
  - TLAB thread-local allocation buffer，线程局部缓冲区，线程使用自己私有区域分配对象内存
- 死亡对象的回收代价是零；因为采用复制算法，存活的对象使用复制算法到Survivor区域，剩下都是需要被回收的
- 大部分对象用过即死，只有少数对象存活
- Minor GC 的时间远远低于Full GC
- 新生代优化空间更大一些
新生代还是需要调大一些，因为新生代采用复制算法，需要移动对象，复制算法性能效率较低。新生代能容纳所有【并发量 * （请求 - 响应）】的数据
- 幸存区大到能保留【当前活跃对象 + 需要晋升对象】，原则就是让真正需要进入老年代的对象才进入老年代。
- 晋升阈值配置得当，让长时间存活对象尽快晋升

5.5 老年代调优

CMS的老年代内存越大越好
先尝试不做调优，如果没有Full GC 那么老年代已经足够大了；如果有Full GC 则先尝试调优新生代
观察发生Full GC 时老年代内存占用，将老年代内存预设调大 1/4 ~ 1/3

02 JVM垃圾回收机制

1 对象回收判断

1.1 引用计数法

1.2 可达性分析算法

1.3 四种引用：强、软、弱和虚引用

2 垃圾回收算法

2.1 标记清除（Mark Sweep）

2.2 标记整理（Mark Compact）

2.3 复制（Copy）

3 分代垃圾回收

4 垃圾回收器

4.1 串行垃圾回收器

4.2 吞吐量优先垃圾回收器

4.3 响应时间优先垃圾回收器

4.4 G1 垃圾回收器

4.4.1 G1垃圾回收阶段

4.4.2 Young Collection阶段（会STW）

4.4.3 Young Collection + CM（新生代回收 + CM）

4.4.4 Mixed Collection（混合回收）

4.4.5 Young Collection 跨代引用

4.4.6 Remark 重标记

5 垃圾回收调优

5.1 调优领域

5.2 确定调优目标

5.3 调优考虑方面

5.4 新生代调优

5.5 老年代调优

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2.3 复制（Copy）

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4.2 吞吐量优先垃圾回收器

4.3 响应时间优先垃圾回收器

4.4 G1 垃圾回收器

4.4.1 G1垃圾回收阶段

4.4.2 Young Collection阶段 （会STW）

4.4.3 Young Collection + CM（新生代回收 + CM）

4.4.4 Mixed Collection（混合回收）

4.4.5 Young Collection 跨代引用

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