JVM垃圾回收算法

JVM GC回收哪个区域内的垃圾？
需要注意的是，JVM GC只回收堆区和方法区内的对象。而栈区的数据，在超出作用域后会被JVM自动释放掉，所以其不在JVM GC的管理范围内。

Java方法区在Sun HotSpot虚拟机中被称为永久代，很多人认为该部分的内存是不用回收的，java虚拟机规范也没有对该部分内存的垃圾收集做规定，但是方法区中的废弃常量和无用的类还是需要回收以保证永久代不会发生内存溢出。

判断废弃常量的方法：如果常量池中的某个常量没有被任何引用所引用，则该常量是废弃常量。

判断无用的类：
(1).该类的所有实例都已经被回收，即java堆中不存在该类的实例对象。
(2).加载该类的类加载器已经被回收。
(3).该类所对应的java.lang.Class对象没有任何地方被引用，无法在任何地方通过反射机制访问该类的方法。

 

JVM GC怎么判断对象可以被回收了？
1)对象没有引用
2)作用域发生未捕获异常
3)程序在作用域正常执行完毕
4)程序执行了System.exit()
5) 程序发生意外终止（被杀线程等）

 

JVM GC什么时候执行？
eden区空间不够存放新对象的时候，执行Minro GC。升到老年代的对象大于老年代剩余空间的时候执行Full GC，或者小于的时候被HandlePromotionFailure 参数强制Full GC 。
调优主要是减少 Full GC 的触发次数，可以通过 NewRatio 控制新生代转老年代的比例，通过MaxTenuringThreshold 设置对象进入老年代的年龄阀值（后面会介绍到）。

java -Xmx3550m -Xms3550m -Xmn2g -Xss128k

-Xmx3550m：设置JVM最大可用内存为3550m。
-Xms3550m：设置JVM初始内存为3550m。
此值可以设置与 -Xmx 相同，以避免每次垃圾回收完成后JVM重新分配内存。
-Xmn2g：设置年轻代大小为2G。整个堆大小=年轻代大小+老年代大小+永久代大小。永久代一般固定大小为64m，所以增大年轻代后，将会减小老年代大小。此值对系统性能影响较大，Sun官方推荐配置为整个堆的3/8。

-Xss128k：设置每个线程的堆栈大小。JDK5.0以后每个线程堆栈大小为1M，以前每个线程堆栈大小为256k。根据应用的线程所需内存大小进行调整。在相同物理内存下，减小这个值能生成更多的线程。但是操作系统对一个进程内的线程数还是有限制的，不能无限生成，经验值在3000~5000左右。

java -Xmx3550m -Xms3550m -Xss128k -XX:NewRatio=4 -XX:SurvivorRatio=4 -XX:MaxPermSize=16m -XX:MaxTenuringThreshold=0

-XX:NewRatio=4：设置年轻代（包括Eden和两个Survivor区）与老年代的比值（除去永久代）。设置为4，则年轻代与老年代所占比值为1:4，年轻代占整个堆栈的1/5。
-XX:SurvivorRatio=4：设置年轻代中Eden区与Survivor区的大小比值。设置为4，则两个Survivor区与一个Eden区的比值为2:4，一个Survivor区占整个年轻代的1/6。
-XX:MaxPermSize=16m：设置永久代大小为16m。
-XX:MaxTenuringThreshold=0：设置垃圾最大年龄。如果设置为0的话，则年轻代对象不经过Survivor区，直接进入老年代。对于老年代比较多的应用，可以提高效率。如果此值设置为一个较大值，则年轻代对象会在Survivor区进行多次复制，这样可以增加对象在年轻代的存活时间，增加在年轻代被回收的概率。

MaxTenuringThreshold这个参数用于控制对象能经历多少次Minor GC才晋升到老年代，默认值是15

 

按代的垃圾回收机制

新生代（Young generation）：绝大多数最新被创建的对象都会被分配到这里，由于大部分在创建后很快变得不可达，很多对象被创建在新生代，然后“消失”。对象从这个区域“消失”的过程我们称之为：Minor GC 。

老年代（Old generation）：对象没有变得不可达，并且从新生代周期中存活了下来，会被拷贝到这里。其区域分配的空间要比新生代多。也正由于其相对大的空间，发生在老年代的GC次数要比新生代少得多。对象从老年代中消失的过程，称之为：Major GC 或者 Full GC。

持久代（Permanent generation）也称之为 方法区（Method area）：用于保存类常量以及字符串常量。注意，这个区域不是用于存储那些从老年代存活下来的对象，这个区域也可能发生GC。发生在这个区域的GC事件也被算为 Major GC 。只不过在这个区域发生GC的条件非常严苛，必须符合以下三种条件才会被回收：
1、所有实例被回收
2、加载该类的ClassLoader 被回收
3、Class 对象无法通过任何途径访问（包括反射）

 

如果老年代的对象需要引用新生代的对象，会发生什么呢？
为了解决这个问题，老年代中存在一个 card table ，它是一个512byte大小的块。所有老年代的对象指向新生代对象的引用都会被记录在这个表中。当针对新生代执行GC的时候，只需要查询 card table 来决定是否可以被回收，而不用查询整个老年代。这个 card table 由一个write barrier 来管理。write barrier给GC带来了很大的性能提升，虽然由此可能带来一些开销，但完全是值得的。

默认的新生代（Young generation）、老年代（Old generation）所占空间比例为 1 : 2

 

新生代空间的构成与逻辑

1) 一个伊甸园空间（Eden）
2) 两个幸存者空间（Fron Survivor、To Survivor）
默认新生代空间的分配：Eden : From : To = 8 : 1 : 1

刚创建的对象会被分配在Eden区，其中的大多数对象很快就会消亡。Eden区是连续的内存空间，因此在其上分配内存极快；最初一次，当Eden区满的时候，执行Minor GC，将消亡(不可达)的对象清理掉，并将剩余(存活)的对象复制到一个存活区Survivor0（此时，Survivor1是空白的，两个Survivor总有一个是空白的）；下次Eden区满了，再执行一次Minor GC，将消亡的对象清理掉，将存活的对象复制到Survivor1中，然后清空Eden区；将Survivor0中消亡的对象清理掉，将其中可以晋级的对象晋级到Old区，将存活的对象也复制到Survivor1区，然后清空Survivor0区；当两个存活区切换了几次（HotSpot虚拟机默认15次，用-XX:MaxTenuringThreshold控制，大于该值进入老年代，但这只是个最大值，并不代表一定是这个值）之后，仍然存活的对象（其实只有一小部分，比如，我们自己定义的对象），将被复制到老年代。

• 新生代： 
  
  • 大多数新生的对象在Eden区分配，当Eden区没有足够空间进行分配时，虚拟机就会进行一次MinorGC。
  • 在方法中new一个对象，方法调用完毕，对象就无用，这就是典型的新生代对象。（新生对象在Eden区经历过一次MinorGC并且被Survivor容纳的话，对象年龄为1，并且每熬过一次MinorGC，年龄就会加1，直到15，就会晋升到老年代）
  • 注意动态对象的判定：Survivor空间中相同年龄的对象大小总和大于Survivor空间的一半，大于或者等于该年龄的对象就可以直接进入老年代。
• 老年代： 
  
  • 在新生代中经历了N次垃圾回收后仍然存活的对象，就会被放到老年代中，而且大对象（占用大量连续内存空间的java对象如很长的字符串及数组）直接进入老年代。
  • 当survivor空间不够用时，需要依赖老年代进行分配担保。
• 永久代： 
  
  • 方法区
  • 主要存放Class和Meta的信息，Class在被加载的时候被放入永久代。 它和存放对象的堆区域不同，GC(Garbage Collection)不会在主程序运行期对永久代进行清理，所以如果你的应用程序会加载很多Class的话,就很可能出现PermGen space错误。

GC分类

1. MinorGC：是指清理新生代
2. MajorGC：是指清理老年代（很多MajorGC是由MinorGC触发的）
3. FullGC：是指清理整个堆空间包括年轻代和永久代

 

JVM GC 算法讲解

1、根搜索算法
根搜索算法是从离散数学中的图论引入的，程序把所有引用关系看作一张图，从一个节点GC ROOT 开始，寻找对应的引用节点，找到这个节点后，继续寻找这个节点的引用节点。当所有的引用节点寻找完毕后，剩余的节点则被认为是没有被引用到的节点，即无用的节点。

目前Java中可以作为GC ROOT的对象有：
1、Java虚拟机栈中引用的对象（栈帧中的本地变量表）
2、方法区中静态属性引用的对象
3、方法区中常量引用的对象
4、本地方法栈中JNI本地方法引用的对象（Native对象）

 

2、标记 - 清除算法
标记-清除算法采用从根集合进行扫描，对存活的对象进行标记，标记完毕后，再扫描整个空间中未被标记的对象进行直接回收。
标记-清除算法不需要进行对象的移动，并且仅对不存活的对象进行处理，在存活的对象比较多的情况下极为高效，但由于标记-清除算法直接回收不存活的对象，并没有对还存活的对象进行整理，因此会导致内存碎片。

 

3、复制算法
复制算法将内存划分为两个区间，使用此算法时，所有动态分配的对象都只能分配在其中一个区间（活动区间），而另外一个区间（空间区间）则是空闲的。
复制算法在存活对象比较少的时候，极为高效，但是带来的成本是牺牲一半的内存空间用于进行对象的移动。

 

4、标记 - 整理算法
标记-整理算法采用 标记-清除 算法一样的方式进行对象的标记、清除，但在回收不存活的对象占用的空间后，会将所有存活的对象往左端空闲空间移动，并更新对应的指针。标记-整理 算法是在标记-清除 算法之上，又进行了对象的移动排序整理，因此成本更高，但却解决了内存碎片的问题。

 

垃圾回收器简介
1、Serial（-XX:+UseSerialGC）
从名字我们可以看出，这是一个串行收集器。Serial收集器是Java虚拟机中最基本、历史最悠久的收集器。在JDK1.3之前是Java虚拟机新生代收集器的唯一选择。目前也是ClientVM下ServerVM 4核4GB以下机器默认垃圾回收器。Serial收集器并不是只能使用一个CPU进行收集，而是当JVM需要进行垃圾回收的时候，需暂停所有的用户线程，直到回收结束。
使用算法：复制算法

 

 

 

2、SerialOld（-XX:+UseSerialGC）
SerialOld是Serial收集器的老年代收集器版本，它同样是一个单线程收集器，这个收集器目前主要用于Client模式下使用。如果在Server模式下，它主要还有两大用途：一个是在JDK1.5及之前的版本中与Parallel Scavenge收集器搭配使用，另外一个就是作为CMS收集器的后备预案，如果CMS出现Concurrent Mode Failure，则SerialOld将作为后备收集器。
使用算法：标记 - 整理算法

 

3、ParNew（-XX:+UseParNewGC）
ParNew其实就是Serial收集器的多线程版本。除了Serial收集器外，只有它能与CMS收集器配合工作。
使用算法：复制算法

 

4、ParallelScavenge（-XX:+UseParallelGC）

ParallelScavenge又被称为吞吐量优先收集器，和ParNew 收集器类似，是一个新生代收集器。
使用算法：复制算法
ParallelScavenge收集器的目标是达到一个可控件的吞吐量，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）。如果虚拟机总共运行了100分钟，其中垃圾收集花了1分钟，那么吞吐量就是99% 。

 

5、ParallelOld（-XX:+UseParallelOldGC）
ParallelOld是并行收集器，和SerialOld一样，ParallelOld是一个老年代收集器，是老年代吞吐量优先的一个收集器。这个收集器在JDK1.6之后才开始提供的，在此之前，ParallelScavenge只能选择SerialOld来作为其老年代的收集器，这严重拖累了ParallelScavenge整体的速度。而ParallelOld的出现后，“吞吐量优先”收集器才名副其实！
使用算法：标记 - 整理算法

 

6、CMS （-XX:+UseConcMarkSweepGC）
CMS(Concurrent Mark-Sweep)是以牺牲吞吐量为代价来获得最短回收停顿时间的垃圾回收器，是一个老年代收集器，全称 Concurrent Low Pause Collector，是JDK1.4后期开始引用的新GC收集器，在JDK1.5、1.6中得到了进一步的改进。它是对于响应时间的重要性需求大于吞吐量要求的收集器。对于要求服务器响应速度高的情况下，使用CMS非常合适。
CMS的一大特点，就是用两次短暂的暂停来代替串行或并行标记整理算法时候的长暂停。
使用算法：标记 - 整理算法

 

7、GarbageFirst（G1）
这是一个新的垃圾回收器，既可以回收新生代也可以回收老年代，SunHotSpot1.6u14以上EarlyAccess版本加入了这个回收器，Sun公司预期SunHotSpot1.7发布正式版本。通过重新划分内存区域，整合优化CMS，同时注重吞吐量和响应时间。杯具的是Oracle收购这个收集器之后将其用于商用收费版收集器。因此目前暂时没有发现哪个公司使用它，这个放在之后再去研究吧。

 

新生代收集器：
Serial （-XX:+UseSerialGC）
ParNew（-XX:+UseParNewGC）
ParallelScavenge（-XX:+UseParallelGC）
G1 收集器

老年代收集器：
SerialOld（-XX:+UseSerialOldGC）
ParallelOld（-XX:+UseParallelOldGC）
CMS（-XX:+UseConcMarkSweepGC）
G1 收集器

 

CMS使用场景：GC过程短暂停，适合对时延要求较高的服务，用户线程不允许长时间的停顿

触发条件

1、如果没有设置-XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly，虚拟机会根据收集的数据决定是否触发（建议线上环境带上这个参数，不然会加大问题排查的难度）。

2、老年代使用率达到阈值 CMSInitiatingOccupancyFraction，默认92%。

3、永久代的使用率达到阈值 CMSInitiatingPermOccupancyFraction，默认92%，前提是开启 CMSClassUnloadingEnabled。

4、新生代的晋升担保失败。

 

晋升担保失败

老年代是否有足够的空间来容纳全部的新生代对象或历史平均晋升到老年代的对象，如果不够的话，就提早进行一次老年代的回收，防止下次进行YGC的时候发生晋升失败。

 

CMS的执行过程如下：

· 初始标记（STW initial mark）
在这个阶段，需要虚拟机停顿正在执行的应用线程，官方的叫法STW（Stop Tow World）。这个过程从根对象扫描直接关联的对象，并作标记。这个过程会很快的完成。

· 并发标记（Concurrent marking）
这个阶段紧随初始标记阶段，在“初始标记”的基础上继续向下追溯标记。注意这里是并发标记，表示用户线程可以和GC线程一起并发执行，这个阶段不会暂停用户的线程哦。

· 并发预清理（Concurrent precleaning）
这个阶段依旧是并发的，JVM查找正在执行“并发标记”阶段时候进入老年代的对象（可能这时会有对象从新生代晋升到老年代，或被分配到老年代）。通过重新扫描，减少在一个阶段“重新标记”的工作，因为下一阶段会STW。

· 重新标记（STW remark）
这个阶段会再次暂停正在执行的应用线程，重新从根对象开始查找并标记并发阶段遗漏的对象（在并发标记阶段结束后对象状态的更新导致），并处理对象关联。这一次耗时会比“初始标记”更长，并且这个阶段可以并行标记。

· 并发清理（Concurrent sweeping）
这个阶段是并发的，应用线程和GC清除线程可以一起并发执行。

· 并发重置（Concurrent reset）
这个阶段依旧是并发的，重置CMS收集器的数据结构，等待下一次垃圾回收。

 

 

 

CMS的缺点：
1、内存碎片。由于使用了标记-清理 算法，导致内存空间中会产生内存碎片。不过CMS收集器做了一些小的优化，就是把未分配的空间汇总成一个列表，当有JVM需要分配内存空间的时候，会搜索这个列表找到符合条件的空间来存储这个对象。但是内存碎片的问题依然存在，如果一个对象需要3块连续的空间来存储，因为内存碎片的原因，寻找不到这样的空间，就会导致Full GC。

2、需要更多的CPU资源。由于使用了并发处理，很多情况下都是GC线程和应用线程并发执行的，这样就需要占用更多的CPU资源，也是牺牲了一定吞吐量的原因。

3、需要更大的堆空间。因为CMS标记阶段应用程序的线程还是执行的，那么就会有堆空间继续分配的问题，为了保障CMS在回收堆空间之前还有空间分配给新加入的对象，必须预留一部分空间。CMS默认在老年代空间使用92%时候启动垃圾回收。可以通过-XX:CMSinitiatingOccupancyFraction=n来设置这个阀值。