java虚拟机——垃圾回收与内存分配

1.如何判定对象为垃圾对象

1.1引用计数法

1.2可达性分析

作为GCROOT的对象

• 虚拟机栈
• 本地方法区的类属性所引用的对象
• 方法区中常量所引用的对象
• 本地方法栈中引用的对象

2.如何回收

2.1回收策略

1.标记-清除算法

    通过可达性分析法标记-->清除
    缺点:效率较低、空间问题(出现很多不连续的内存空间)

2.复制算法

    把使用中的内存复制一份重新按顺序排列
    缺点：内存只能用一半，不适用于老年代

    把Eden区保留的对象复制到Survivor区

3.标记-整理算法

    让所有存活的对象都向一端移动，然后清理掉边界以外的内存

4.分代收集算法

　　标记整理算法和复制算法进行结合，针对新生代或者说是内存回收率较高的算法选择复制算法，对于老年代选择标记整理算法。

堆

• 新生代
  • Eden 伊甸园
  • Survivor 存活区
  • Tenured Gen
• 老年代

2.2垃圾回收器

1.serial

• 历史最悠久
• 使用复制算法
• 单线程，垃圾收集时必须暂停其他所有的工作线程，直到收集结束
• 虚拟机运行在Client模式下的新生代收集器
• 用于桌面应用

2.parnew

• 多线程收集
• 虚拟机运行在Server模式下首选的新生代收集器

3.parallel Scavenge收集器

1. 适用复制算法（针对新生代内存）
2. 多线程收集器
3. 达到可控制的吞吐量=运行用户代码时间/（运行用户代码时间+垃圾收集时间）
4. -XX:MaxGCPauseMillis 垃圾收集器停顿时间
5. -XX:GCTimeRatio 吞吐量大小 （0-100）

4.cms(Concurrent Mark Sweep)收集器

CMS并发标记-清除：用户线程和垃圾回收线程并发执行，不需要停止用户线程，互联网常用，适用于对响应时间要求较高。

从名字（包含“Mark Sweep”）上就可以看出，CMS收集器是基于“标记—清除”算法实现 的，它的运作过程相对于前面几种收集器来说更复杂一些，整个过程分为4个步骤，包括： 初始标记（CMS initial mark） 并发标记（CMS concurrent mark） 重新标记（CMS remark） 并发清除（CMS concurrent sweep） 其中，初始标记、重新标记这两个步骤仍然需要“Stop The World”。初始标记仅仅只是 标记一下GC Roots能直接关联到的对象，速度很快，并发标记阶段就是进行GC RootsTracing 的过程，而重新标记阶段则是为了修正并发标记期间因用户程序继续运作而导致标记产生变 动的那一部分对象的标记记录，这个阶段的停顿时间一般会比初始标记阶段稍长一些，但远 比并发标记的时间短。 由于整个过程中耗时最长的并发标记和并发清除过程收集器线程都可以与用户线程一起 工作，所以，从总体上来说，CMS收集器的内存回收过程是与用户线程一起并发执行的。通 过图3-10可以比较清楚地看到CMS收集器的运作步骤中并发和需要停顿的时间。

三个明显缺点：

• CMS收集器对CUP非常敏感。其实，面向并发设计的程序都对CPU资源比较敏感。 在并发阶段，它虽然不会导致用户线程停顿，但是会因为占用了一部分线程（或者说CPU资 源）而导致应用程序变慢，总吞吐量会降低。CMS默认启动的回收线程数是（CPU数量 +3）/4，也就是当CPU在4个以上时，并发回收时垃圾收集线程不少于25%的CPU资源，并且 随着CPU数量的增加而下降。但是当CPU不足4个（譬如2个）时，CMS对用户程序的影响就 可能变得很大，如果本来CPU负载就比较大，还分出一半的运算能力去执行收集器线程，就 可能导致用户程序的执行速度忽然降低了50%，其实也让人无法接受。为了应付这种情况， 虚拟机提供了一种称为“增量式并发收集器”（Incremental Concurrent Mark Sweep/i-CMS）的 CMS收集器变种，所做的事情和单CPU年代PC机操作系统使用抢占式来模拟多任务机制的思 想一样，就是在并发标记、清理的时候让GC线程、用户线程交替运行，尽量减少GC线程的 独占资源的时间，这样整个垃圾收集的过程会更长，但对用户程序的影响就会显得少一些， 也就是速度下降没有那么明显。实践证明，增量时的CMS收集器效果很一般，在目前版本 中，i-CMS已经被声明为“deprecated”，即不再提倡用户使用。
• CMS收集器无法处理浮动垃圾（Floating Garbage），可能出现“Concurrent Mode Failure”失败而导致另一次Full GC的产生。由于CMS并发清理阶段用户线程还在运行着，伴 随程序运行自然就还会有新的垃圾不断产生，这一部分垃圾出现在标记过程之后，CMS无法 在当次收集中处理掉它们，只好留待下一次GC时再清理掉。这一部分垃圾就称为“浮动垃圾”。也是由于在垃圾收集阶段用户线程还需要运行，那也就还需要预留有足够的内存空间 给用户线程使用，因此CMS收集器不能像其他收集器那样等到老年代几乎完全被填满了再进 行收集，需要预留一部分空间提供并发收集时的程序运作使用。在JDK 1.5的默认设置 下，CMS收集器当老年代使用了68%的空间后就会被激活，这是一个偏保守的设置，如果在 应用中老年代增长不是太快，可以适当调高参数-XX：CMSInitiatingOccupancyFraction的值来 提高触发百分比，以便降低内存回收次数从而获取更好的性能，在JDK 1.6中，CMS收集器 的启动阈值已经提升至92%。要是CMS运行期间预留的内存无法满足程序需要，就会出现一 次“Concurrent Mode Failure”失败，这时虚拟机将启动后备预案：临时启用Serial Old收集器来 重新进行老年代的垃圾收集，这样停顿时间就很长了。所以说参数-XX：CM SInitiatingOccupancyFraction设置得太高很容易导致大量“Concurrent Mode Failure”失败，性能 反而降低。
• 还有最后一个缺点，在本节开头说过，CMS是一款基于“标记—清除”算法实现的收集器，如果读者对前面这种算法介绍还有印象的话，就可能想到这意味着收集结束时会有大量空间碎片产生。空间碎片过多时，将会给大对象分配带来很大麻烦，往往会出现老年代还有很大空间剩余，但是无法找到足够大的连续空间来分配当前对象，不得不提前触发一次Full GC。为了解决这个问题，CMS收集器提供了一个-XX：+UseCMSCompactAtFullCollection开 关参数（默认就是开启的），用于在CMS收集器顶不住要进行FullGC时开启内存碎片的合并整理过程，内存整理的过程是无法并发的，空间碎片问题没有了，但停顿时间不得不变长。 虚拟机设计者还提供了另外一个参数-XX：CMSFullGCsBeforeCompaction，这个参数是用于设置执行多少次不压缩的Full GC后，跟着来一次带压缩的（默认值为0，表示每次进入Full GC时都进行碎片整理）。

　　运作步骤：
　　　　标记清除--并发标记--重新标记--并发清除

　　优点

• • 并发收集
  • 低停顿

　　缺点

• 占用大量的CPU资源
• 无法处理浮动垃圾
• 出现Concurrent Mode Failure
• 基于标记清除算法，会产生大料的空间碎片

5.G1

G1是一款面向服务端应用的垃圾收集器，HotSpot团队赋予它的使命是未来可以替换掉CMS收集器，G1收集器的特点：

• 并行与并发：G1可以充分利用多CPU，多核环境下的硬件优势，使用多个CPU来缩短Stop-The-World停顿的时间，部分其他收集器原本需要停顿Java线程执行的GC动作，G1收集器仍然可以通过并发的方式让Java程序继续执行
• 分代收集：虽然G1可以不需要其他收集器配合就能独立管理整个GC堆，但它能够采用不同的方式去处理新创建的对象和已经存活了一段时间的对象，熬过多次GC的旧对象以获得更好的收集效果
• 空间整合：G1在整体上采用标记-整理算法，局部采用复制算法，使得它在运行期间不会产生内存空间碎片，收集后能提供规整的可用内存，这种特性有利于程序长时间运行，分配大对象的时候不会因为无法找到连续内存空间而提前触发下一次GC
• 可预测的停顿：这是CMS的另一大优势，G1除了追求低停顿外，还能建立可预测的停顿时间模型

1 G1收集器将整个Java堆划分为多个大小相等的独立区域，虽然还保留有新生代和老年代的概念，但它们已经不再是物理隔离了，它们是一部分不需要连续的集合

2 G1收集器之所以能够建立可预测的停顿时间模型，是因为它可以有计划地避免在整个Java堆中进行全区域的垃圾收集。

3 G1收集器的运作步骤：（前两步与CMS收集器前两步一样）

• 初始标记：仅仅只是标记一下GC Roots能够直接关联到的对象，并且修改TAMS的值，让下一阶段用户程序并发运行时，能在正确可用的Region中创建新对象，这一阶段需要停顿线程，但耗时很短
• 并发标记：从GC Root开始对堆中的对象进行可达性分析，找出存活的对象，这一阶段耗时较长，但可与用户程序并发执行
• 最终标记：为了修正在并发标记期间因用户程序继续运作而导致标记产生变化的那一部分标记记录，可并行执行
• 筛选回收：该阶段可以做到与用户程序一起并发执行

3.内存分配

3.1内存分配策略

• 优先分配到eden区
• 大对象直接分配到老年代
• 长期存活的对象分配到老年代
• 空间分配担保

Java所承诺的自动内存管理主要是:给对象分配内存,回收分配给对象的内存.

在Java虚拟机的五块内存空间中,程序计数器、Java虚拟机栈、本地方法栈内存的分配和回收都具有确定性,一般在编译阶段就能确定需要分配的内存大小,并且由于都是线程私有,因此它们的内存空间都随着线程的创建而创建,线程的结束而回收.也就是这三个区域的内存分配和回收都具有确定性,垃圾回收器不需要在这里花费太大的精力.

而Java虚拟机中的方法区因为是用来存储类信息、常量、静态变量,这些数据的变动性较小,因此不是Java内存管理重点需要关注的区域.

而对于堆,所有线程共享,所有的对象都需要在堆中创建和回收.虽然每个对象的大小在类加载的时候就能确定,但对象的数量只有在程序运行期间才能确定,因此堆中内存的分配具有较大的不确定性.此外,对象的生命周期长短不一,因此需要针对不同生命周期的对象采用不同的内存回收算法,增加了内存回收的复杂性.

综上所述:Java自动内存管理最核心的功能是堆内存中对象的分配与回收.

1 对象优先在Eden区中分配

目前主流的垃圾收集器都会采用分代回收算法,因此需要将堆内存分为新生代和老年代.

在新生代中为了防止内存碎片,垃圾收集器一般都选用"复制"算法.因此,堆内存的新生代被进一步分为:Eden区＋Survior1区＋Survior2区.

每次创建对象时,首先会在Eden区中分配. 若Eden区已满,则在Survior1区中分配. 若Eden区＋Survior1区剩余内存太少,导致对象无法放入该区域时,就会启用"分配担保",将当前Eden区＋Survior1区中的对象转移到老年代中,然后再将新对象存入Eden区.

2 大对象直接进入老年代

所谓"大对象"就是指一个占用大量连续内存空间的对象,如很长的字符串及数组.

当发现一个大对象在Eden区＋Survior1区中存不下的时候就需要分配担保机制把当前Eden区＋Survior1区的所有对象都复制到老年代中去. 一个大对象能够存入Eden区＋Survior1区的概率比较小,发生分配担保的概率比较大,而分配担保需要涉及到大量的复制,就会造成效率低下. 因此,对于大对象我们直接把他放到老年代中去,从而就能避免大量的复制操作. 那么,什么样的对象才是"大对象"呢?

• -XX:PretrnureSizeThreshold参数 该参数用于设置大小超过该参数的对象被认为是"大对象",直接分配在老年代. 注意:该参数只对Serial和ParNew收集器有效.

3 生命周期较长的对象进入老年代

老年代用于存储生命周期较长的对象,那么我们如何判断一个对象的年龄呢?

新生代中的每个对象都有一个年龄计数器,当新生代发生一次MinorGC后,存活下来的被移动到Survivor空间的对象的年龄就加一,在Survivor区每熬过一次MinorGC,年龄就加一,当年龄超过一定值(默认15)时,就将该对象转移到老年代中.

• -XXMaxTenuringThreshold参数 设置该参数后,只要超过该参数的新生代对象都会被转移到老年代中.

4 对象年龄的动态判定

在Survivor空间中,如果年龄相同的对象的内存大小总和超过了Survivor空间的一半,那么所有年龄相同的对象和超过该年龄的对象都会被转移到老年代中.无须等到MaxTenuringThreshold要求的年龄.

5 "分配担保"策略详解

在发生MinorGC前,JVM首先会检查老年代中最大可用的的连续空间是否大于新生代中所有对象的大小.若此条件

• 成立,那么MinorGC可以确保安全进行.
• 不成立,JVM会查看HandlePromotionFailure设置值是否允许担保失败.若允许,继续检查老年代最大可用的连续空间是否大于历次晋升到老年代对象的平均大小
  • 若大于,将尝试一次MinorGC,虽然此次MinorGC是有风险的.
  • 若小于或HandlePromotionFailure设置不允许冒险,则进行一次FullGC.通过清除老年代中废弃数据来扩大老年代空闲空间,以便给新生代作担保.

注意:

1. 分配担保是老年代为新生代作担保.
2. 新生代中使用"复制"算法实现垃圾回收,老年代中使用'标记-清除"或"标记-整理"算法实现垃圾回收,只有使用"复制"算法的区域才需要分配担保,因此新生代需要分配担保,而老年代不需要分配担保.