JVM垃圾收集器詳解

更新時間：2017年02月14日 15:43:50 作者：LSPZ

本文主要介紹了JVM垃圾收集器的相關(guān)知識。具有很好的參考價值，下面跟著小編一起來看下吧

說起垃圾收集（Garbage Collection，GC），大部分人都把這項技術(shù)當做Java語言的伴生產(chǎn)物。事實上，GC的歷史遠比Java久遠，1960年誕生于MIT的Lisp是第一門真正使用內(nèi)存動態(tài)分配和垃圾收集技術(shù)的語言。當List還在胚胎時期時，人們就在思考GC需要完成的3件事情：

哪些內(nèi)存需要回收？
什么時候回收？
如何回收？

一、哪些內(nèi)存需要回收？

從JVM區(qū)域結(jié)構(gòu)看，可將這些區(qū)域劃分為“靜態(tài)內(nèi)存”和“動態(tài)內(nèi)存”兩類。程序計數(shù)器、虛擬機棧、本地方法3個區(qū)域是“靜態(tài)”的，因為這幾個區(qū)域的內(nèi)存分配和回收都具備確定性，都隨著線程而生，隨著線程而滅。但Java堆和方法區(qū)不一樣，內(nèi)存分配都存在不確定性，只有在程序處于運行期間才能知道會創(chuàng)建哪些對象，這部分內(nèi)存和回收都是動態(tài)的，垃圾收集器所關(guān)注的是這部分內(nèi)存。

在堆里面存放著Java世界幾乎所有的對象實例，垃圾回收器在對堆進行回收前，第一件事情就是就是要確定這些對象哪些還"存活"著，哪些已經(jīng)"死去"。那么又怎么確定對象已經(jīng)"死去"呢？

1.引用計數(shù)法：

分配對象時給對象添加一個引用計數(shù)器，每當有一個地方引用它時，計數(shù)器值就加1；當引用失效時，計數(shù)器值就減1；任何時刻計數(shù)器為0的對象就是沒有再被使用了。客觀地說，引用計數(shù)法（Reference Counting）的實現(xiàn)簡單，判斷效率也很高，但是在主流的Java虛擬機里面沒有選用引用計數(shù)法來管理內(nèi)存，其中最主要的原因是它很難解決對象之間相互循環(huán)引用的問題。例如：

public class ReferenceCountingGC {
 public Object instance = null;
 private byte[] bigsize = new byte[2*1024*1024];
 public static void testGC(){
 ReferenceCountingGC objA = new ReferenceCountingGC();
 ReferenceCountingGC objB = new ReferenceCountingGC();
 objA.instance = objB;
 objB.instance = objA;
 objA = null;
 objB = null;
 System.gc();
 }
}

當設置objA = null;objB = null后這兩個對象再無任何引用，實際上這兩個對象已經(jīng)不可能再被訪問，但是它們因為互相引用著對方，導致它們的引用計數(shù)都不為0，于是引用計數(shù)算法無法通知GC收集器回收它們。如果這個對象特別大，則會造成嚴重的內(nèi)存泄露。

2.可達性分析算法：

可達性分析（Reachability Analysis）的基本思想是通過一系列的稱為“GC Roots”的對象作為起始點，從這些節(jié)點開始向下搜索，搜索所走過的路徑稱為引用鏈（Reference Chain），當一個對象到GC Roots沒有任何引用鏈相連時（也就是GC Roots到這個對象不可達），則證明此對象是不可用的。如下圖所示：

對象Object5、Object6、Object7相互雖然有關(guān)聯(lián)，但是它們到GC Roots是不可達的，所以它們將會被判定為是可回收的對象。在Java語言中，可作為GC Roots的對象包括下面幾種：

虛擬機棧（棧幀中的本地變量表）中引用的對象。
方法區(qū)中類靜態(tài)屬性引用的對象。
方法區(qū)中常量引用的對象。
本地方法棧中JNI（即一般說的Native方法）引用的對象。

二、什么時候回收？

虛擬機為了分析GC Roots這項工作必須在一個能確保一致性的快照中進行，這里的“一致性”的意思就是指在整個分析期間整個執(zhí)行系統(tǒng)看起來就像被凍結(jié)在某個時間點上——這叫安全點。當然，程序執(zhí)行時并非在所有地方都能停頓下來開始GC，只有到達安全點時才能暫停。安全點選址也有規(guī)定的，選定基本上是以程序“是否具有讓程序長時間執(zhí)行的特征”為標準進行選定的。這里的長時間執(zhí)行的最明顯特征是指令列復用，例如方法調(diào)用、循環(huán)跳轉(zhuǎn)、異常跳轉(zhuǎn)等。

虛擬機為了能讓所有線程都“跑”到安全點上停頓下來，設計了兩個方案：搶先式中斷和主動式中斷。其中搶先式中斷是虛擬機發(fā)生GC時，首先把所有線程全部中斷，如果發(fā)生有線程中斷的地方不在安全點上，就恢復線程，讓它“跑”到安全點上。這種方式現(xiàn)在比較用了。而主動式中斷是虛擬機需要GC時僅僅簡單的設置一個標志，各個線程執(zhí)行到安全點時主動去輪詢這個標志，發(fā)現(xiàn)中斷標志為真時就自己中斷掛起。

三、如何回收？

3.1 垃圾收集算法:

（1）標記-清除（Mark-Sweep）算法

這是最基礎的算法，就像它名字一樣，算法分為“標記”和“清除”兩個階段：首先標記處所有需要回收的對象（如哪些內(nèi)存需要回收所描述的對象），對標記完成后統(tǒng)一回收所有被標記的對象，如下圖所示：

缺點：一個是效率問題，標記和清除兩個過程的效率都不高；另一個是空間問題，標記清除后悔產(chǎn)生大量的不連續(xù)的內(nèi)存碎片，可能會導致后續(xù)無法分配大對象而導致再一次觸發(fā)垃圾收集動作。

（2）復制算法

為了針對標記-清除算法的不足，復制算法將可用內(nèi)存容量劃分為大小相等的兩塊，每次只使用一塊。當一塊的內(nèi)存用完了，就將還存活的對象復制到另一塊上面去。然后把已使用過的內(nèi)存空間一次清理掉，如下圖所示：

缺點：使用內(nèi)存比原來縮小了一半。

現(xiàn)在的商業(yè)虛擬機都采用這種收集算法來回收新生代，有企業(yè)分析的得出其實并不需求將內(nèi)存按1:1的比例劃分，因為新生代中的對象大部分都是“朝生夕死”的。所以，HotSpot虛擬機默認的Eden和Survivor的大小比例是8:1。一塊Eden和兩塊Survivor，每次使用一塊Eden和一塊Survivor，也就是說只有10%是浪費的。如果另一塊Survivor都無法存放上次垃圾回收的對象時，那這些對象將通過“擔保機制”進入老年代了。

（3）標記-整理（Mark-Compact）算法

復制算法一般是對對象存活率較低的一種回收操作，但對于對象存活率較高的內(nèi)存區(qū)域（老年代）來說，效果就不是那么理想了，標記-整理算法因此誕生了。標記-整理算法和標記-清除算法差不多，都是一開始對回收對象進行標記，但后續(xù)不是直接對對象清理，而是讓所有存活的對象都向一端移動，然后直接清理掉端邊界以外的內(nèi)存，如下圖所示：

（4）分代收集算法

分代收集算法是目前大部分JVM的垃圾收集器采用的算法。它的核心思想是根據(jù)對象存活的生命周期將內(nèi)存劃分為若干個不同的區(qū)域。一般情況下將堆區(qū)劃分為老年代（Tenured Generation）和新生代（Young Generation），老年代的特點是每次垃圾收集時只有少量對象需要被回收，而新生代的特點是每次垃圾回收時都有大量的對象需要被回收，那么就可以根據(jù)不同代的特點采取最適合的收集算法。

3.2 垃圾收集器：

（1）七種垃圾收集器:

Serial（串行GC）-復制
ParNew（并行GC）-復制
Parallel Scavenge（并行回收GC）-復制
Serial Old（MSC）（串行GC）-標記-整理
CMS（并發(fā)GC）-標記-清除
Parallel Old（并行GC）--標記-整理
G1（JDK1.7update14才可以正式商用）

說明：

1~3用于年輕代垃圾回收：年輕代的垃圾回收稱為minor GC
4~6用于年老代垃圾回收（當然也可以用于方法區(qū)的回收）：年老代的垃圾回收稱為full GC
G1獨立完成"分代垃圾回收"

注意：并行與并發(fā)

并行：多條垃圾回收線程同時操作
并發(fā)：垃圾回收線程與用戶線程一起操作

(2)常用五種組合:

Serial/Serial Old
ParNew/Serial Old：與上邊相比，只是比年輕代多了多線程垃圾回收而已
ParNew/CMS：當下比較高效的組合
Parallel Scavenge/Parallel Old：自動管理的組合
G1：最先進的收集器，但是需要JDK1.7update14以上

(2.1)Serial/Serial Old：

特點：

年輕代Serial收集器采用單個GC線程實現(xiàn)"復制"算法（包括掃描、復制）
年老代Serial Old收集器采用單個GC線程實現(xiàn)"標記-整理"算法
Serial與Serial Old都會暫停所有用戶線程（即STW）

說明：

STW（stop the world）：編譯代碼時為每一個方法注入safepoint（方法中循環(huán)結(jié)束的點、方法執(zhí)行結(jié)束的點），在暫停應用時，需要等待所有的用戶線程進入safepoint，之后暫停所有線程，然后進行垃圾回收。

適用場合：

CPU核數(shù)<2，物理內(nèi)存<2G的機器（簡單來講，單CPU，新生代空間較小且對STW時間要求不高的情況下使用）
-XX:UseSerialGC：強制使用該GC組合
-XX:PrintGCApplicationStoppedTime：查看STW時間
由于它實現(xiàn)相對簡單，沒有線程相關(guān)的額外開銷（主要指線程切換與同步），因此非常適合運行于客戶端PC的小型應用程序，或者桌面應用程序（比如swing編寫的用戶界面程序），以及我們平時的開發(fā)、調(diào)試、測試等。

(2.2)ParNew/Serial Old：

說明：

ParNew除了采用多GC線程來實現(xiàn)復制算法以外，其他都與Serial一樣，但是此組合中的Serial Old又是一個單GC線程，所以該組合是一個比較尷尬的組合，在單CPU情況下沒有Serial/Serial Old速度快（因為ParNew多線程需要切換），在多CPU情況下又沒有之后的三種組合快（因為Serial Old是單GC線程），所以使用其實不多。

-XX:ParallelGCThreads：指定ParNew GC線程的數(shù)量，默認與CPU核數(shù)相同，該參數(shù)在于CMS GC組合時，也可能會用到

(2.3)Parallel Scavenge/Parallel Old：

特點：

年輕代Parallel Scavenge收集器采用多個GC線程實現(xiàn)"復制"算法（包括掃描、復制）
年老代Parallel Old收集器采用多個GC線程實現(xiàn)"標記-整理"算法
Parallel Scavenge與Parallel Old都會暫停所有用戶線程（即STW）

說明：

吞吐量：CPU運行代碼時間/(CPU運行代碼時間+GC時間)
CMS主要注重STW的縮短（該時間越短，用戶體驗越好，所以主要用于處理很多的交互任務的情況）
Parallel Scavenge/Parallel Old主要注重吞吐量（吞吐量越大，說明CPU利用率越高，所以主要用于處理很多的CPU計算任務而用戶交互任務較少的情況）

參數(shù)設置：

-XX:+UseParallelOldGC：使用該GC組合
-XX:GCTimeRatio：直接設置吞吐量大小，假設設為19，則允許的最大GC時間占總時間的1/(1 +19)，默認值為99，即1/(1+99)
-XX:MaxGCPauseMillis：最大GC停頓時間，該參數(shù)并非越小越好
-XX:+UseAdaptiveSizePolicy：開啟該參數(shù)，-Xmn/-XX:SurvivorRatio/-XX:PretenureSizeThreshold這些參數(shù)就不起作用了，虛擬機會自動收集監(jiān)控信息，動態(tài)調(diào)整這些參數(shù)以提供最合適的的停頓時間或者最大的吞吐量（GC自適應調(diào)節(jié)策略），而我們需要設置的就是-Xmx，-XX:+UseParallelOldGC或-XX:GCTimeRatio兩個參數(shù)就好（當然-Xms也指定上與-Xmx相同就好）

適用場合：

很多的CPU計算任務而用戶交互任務較少的情況
不想自己去過多的關(guān)注GC參數(shù)，想讓虛擬機自己進行調(diào)優(yōu)工作
對吞吐量要求較高，或需要達到一定的量。

(2.4)ParNew/CMS：

說明：

以上只是年老代CMS收集的過程，年輕代ParNew看"2.2、ParNew/Serial Old"就好
CMS是多回收線程的，不要被上圖誤導，默認的線程數(shù)：(CPU數(shù)量+3)/4
CMS主要注重STW的縮短（該時間越短，用戶體驗越好，所以主要用于處理很多的交互任務的情況）

特點：

1.年輕代ParNew收集器采用多個GC線程實現(xiàn)"復制"算法（包括掃描、復制）

2.年老代CMS收集器采用多線程實現(xiàn)"標記-清除"算法

初始標記：標記與根集合節(jié)點直接關(guān)聯(lián)的節(jié)點。時間非常短，需要STW
并發(fā)標記：遍歷之前標記到的關(guān)聯(lián)節(jié)點，繼續(xù)向下標記所有存活節(jié)點。時間較長。
重新標記：重新遍歷trace并發(fā)期間修改過的引用關(guān)系對象。時間介于初始標記與并發(fā)標記之間，通常不會很長。需要STW
并發(fā)清理：直接清除非存活對象，清理之后，將該線程占用的CPU切換給用戶線程

3.初始標記與重新標記都會暫停所有用戶線程（即STW），但是時間較短；并發(fā)標記與并發(fā)清理時間較長，但是不需要STW

關(guān)于并發(fā)標記期間怎樣記錄發(fā)生變動的引用關(guān)系對象，在重新標記期間怎樣掃描這些對象

缺點：

并發(fā)標記與并發(fā)清理：按照說明的第二點來講，假設有2個CPU，那么其中有一個CPU會用于垃圾回收，而另一個用于用戶線程，這樣的話，之前是兩CPU運行用戶線程，現(xiàn)在是一個，那么效率就會急劇下降。也就是說，降低了吞吐量（即降低了CPU使用率）。
并發(fā)清理：在這一過程中，產(chǎn)生的垃圾無法被清理（因為發(fā)生在重新標記之后）
并發(fā)標記與并發(fā)清理：由于是與用戶線程并發(fā)的，所以用戶線程可能會分配對象，這樣既可能對象直接進入年老代（例如，大對象），也可能進入年輕代后，年輕代發(fā)生minor GC，這樣的話，實際上要求我們的年老代需要預留一定空間，也就是說要在年老代還有一定空間的情況下就要進行垃圾回收，留出一定內(nèi)存空間來供其他線程使用，而不能等到年老代快爆滿了才進行垃圾回收，通過-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction來指定當年老代空間滿了多少后進行垃圾回收
標記-清理算法：會產(chǎn)生內(nèi)存碎片，由于是在老年代，可能會提前觸發(fā)Full GC（這正是我們要盡量減少的）

參數(shù)設置：

-XX:+UseConcMarkSweepGC：使用該GC組合
-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction：指定當年老代空間滿了多少后進行垃圾回收
-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection：（默認是開啟的）在CMS收集器頂不住要進行FullGC時開啟內(nèi)存碎片整理過程，該過程需要STW
-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction：指定多少次FullGC后才進行整理
-XX:ParallelCMSThreads：指定CMS回收線程的數(shù)量，默認為：(CPU數(shù)量+3)/4

適用場合：

用于處理很多的交互任務的情況

方法區(qū)的回收一般使用CMS，配置兩個參數(shù)：-XX:+CMSPermGenSweepingEnabled與-XX:+CMSClassUnloadingEnabled

適用于一些需要長期運行且對相應時間有一定要求的后臺程序

(2.5)G1

說明：

從上圖來看，G1與CMS相比，僅在最后的"篩選回收"部分不同（CMS是并發(fā)清除），實際上G1回收器的整個堆內(nèi)存的劃分都與其他收集器不同。
CMS需要配合ParNew，G1可單獨回收整個空間

原理：

G1收集器將整個堆劃分為多個大小相等的Region
G1跟蹤各個region里面的垃圾堆積的價值（回收后所獲得的空間大小以及回收所需時間長短的經(jīng)驗值），在后臺維護一張優(yōu)先列表，每次根據(jù)允許的收集時間，優(yōu)先回收價值最大的region，這種思路：在指定的時間內(nèi)，掃描部分最有價值的region（而不是掃描整個堆內(nèi)存），并回收，做到盡可能的在有限的時間內(nèi)獲取盡可能高的收集效率。

運作流程：

初始標記：標記出所有與根節(jié)點直接關(guān)聯(lián)引用對象。需要STW
并發(fā)標記：遍歷之前標記到的關(guān)聯(lián)節(jié)點，繼續(xù)向下標記所有存活節(jié)點。在此期間所有變化引用關(guān)系的對象，都會被記錄在Remember Set Logs中
最終標記：標記在并發(fā)標記期間，新產(chǎn)生的垃圾。需要STW
篩選回收：根據(jù)用戶指定的期望回收時間回收價值較大的對象（看"原理"第二條）。需要STW

優(yōu)點：