JVM垃圾收集 知识汇总

总结下自己掌握的关于JVM垃圾回收相关的知识点～

1. 什么样的对象为垃圾？

引用计数法

无法解决循环依赖问题

可达性分析法

从一些roots对象出发，沿着roots对象追踪对象上的引用，能追踪到的对象都是存活的对象；没有被roots对象引用的视为垃圾对象。
可以作为GC Roots的对象有：

• 虚拟机栈中引用的对象
  常见的就是：Object obj = new Object();
• 方法区中类静态属性引用的对象
• 方法区中常量引用的对象
• 本地方法栈中JNI引用的对象

2. 垃圾收集算法

标记-清除

标记出所有需要回收的对象，标记完成后回收被标记的对象。
有两个缺点：

1. 会产生内存碎片，内存碎片太多可能会导致无法分配较大的对象(需要连续的内存空间)
2. 标记和清除效率不高

复制

内存1分为2，每次只使用其中的1半。当其中的一块空间用完了，就将还存活着的对象复制到另外一块内存空间上，然后把已使用的那一块空间一次清理掉
有2个缺点：

1. 内存空间浪费，因为每次只使用一半
2. 存活对象较多时，进行较多的对象复制，效率下降

标记-整理

标记过程仍与“标记-清除”算法一样，但是后续不是直接对可回收对象进行清理。而是让存活的对象都向一端移动，最后清楚掉端边界以外的内存。

3. JVM堆的分代

根据相关实验(?....?), 很多对象存活时间都是很短的, 少部分的对象存活时间会稍长一些，根据这些特性吧，JVM将堆化分为新生代和老年代：

相关参数配置:

堆的大小： -Xms4G -Xmx4G
新生代和老年代比例：默认1:2,
新生代和survior比例默认: 8:1:1

4. 垃圾回收器的分类

4.1 工作在Young区的垃圾收集器

名称	介绍	采用的算法	STW
Serial	单线程收集年轻代	复制算法	STW
ParNew	多线程收集年轻代	复制算法	STW
Parallel Scavenge	吞吐量优先的多线程收集年轻代	复制算法	STW

4.2 工作在Old区的垃圾收集器

名称	介绍	采用的算法	STW
Serial Old	单线程收集Old区	标记-整理	STW
Parallel Old	多线程收集Old区	标记-整理	STW
CMS	并发标记清除收集Old区	标记-清除	和用户线程并行

4.3 YoungGC、MajorGC、MixedGC、FullGC

• YoungGC：发生在年轻代的GC
• MajorGC：发生在老年代的GC ，只有CMS
• MixedGC： 发生在年轻代和老年代的GC, 只有G1
• FullGC指的是：年轻代+老年代+方法区(元空间/永久代) 整个堆上进行垃圾收集
  产生FullGC的原因：
  1. 当Eden区分配满的时候，发现之前younggc的平均晋升对象的大小超过当前Old区的剩余空间时，则不会触发Younggc了而会触发FullGC(除CMS外[它只收集old区]，其他能收集old区的垃圾收集器都会收集整个堆)。所以不需要额外触发一次YoungGC，如果触发了YoungGC，可以理解为了减轻fullgc的压力吧。
  2. 当方法区无法分配内存的时候，如Perm Generation、Metaspace满了，会触发FullGC
  3. 调用System.gc()会触发FullGC
  4. 执行jmap -dump:live,format=b,file=heap.bin <pid> 的时候触发FullGC

4.4 CMS-并发标记清除

一款工作在Old区、且可以和用户线程并发执行的基于标记清除算法的老年代收集器，为了缩短用户线程的暂停时间。

1. CMS的工作步骤：

步骤	解释	STW
初始标记	标记那些roots对象	STW
并发标记	从roots对象出发标记存活的对象，用户线程不用暂停	非STW
重新标记	由于步骤2用户线程也在执行，需要重新标记那些引用发生变化的部分	STW
并发收集	多线程并发收集，和用户线程并发执行	非STW

2. CMS的优缺点

• 优点
  可以让垃圾收集工作和用户线程并发执行，减少系统stw卡顿时间，对响应时间要求高的系统比较何时。
• 缺点
  1.系统吞吐量降低，因为垃圾收集线程占用了cpu的时间
  2.产生内存碎片

  由于CMS是基于“标记-清除”算法实现的收集器，所以会产生内存碎片。 CMS收集器额外又提供了一个可选择的参数-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection开关参数(默认开启)，用于CMS收集器在顶不住要进行FullGC的时候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执行的，所以会导致停顿时间比长。 虚拟机又提供了一个参数-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction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。默认值是0，表示每次进入FULL GC都进行碎片整理

3. 产生浮动垃圾

   因为并行收集阶段，用户线程也在执行，有可能新产生垃圾对象，这些对象在本次回收阶段无法被回收，只能等下次了
   所以CMS收集器需要预留足够的空间给用户线程使用，不然会出现Concurrent Mode Failure失败。JDK1.6中，CMS收集器启动的阈值是92%，也就是当老年代使用了92%的空间后就会开启CMS收集，不过我们可以通过参数-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=<n>的值来提高触发百分比，可以降低这个值，给用户线程留多一些空间

4. FullGC会很慢

   当cms清理不及时的时候，应用线程新产生的对象没有足够的内存可分配时，CMS顶不住了会启动Serial Old进行一次FullGC，这个可就慢了啊！ （CMS是不进行FullGC的）

3. CMS的参数

3.1 -XX:+UseConcMarkSweepGC：启用cms
3.2 -XX:ConcGCThreads：并发的GC线程数
3.3 -XX:+UseCMSCompactAtFullCollection：FullGC之后做压缩整理，清理碎片
3.4 -XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=0：多少次FullGC之后压缩一次，默认是0，代表每次 FullGC后都会压缩一次
3.5 -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=92: 默认值: 92 当老年代使用达到该比例时会触发CMSGC
3.6 -XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly：只使用设定的回收阈值(- XX:CMSInitiatingOccupancyFraction设定的值)，如果不指定，JVM仅在第一次使用设定 值，后续则会自动调整
3.7 -XX:+CMSScavengeBeforeRemark：在CMS GC前启动一次minor gc，目的在于减少 老年代对年轻代的引用，降低CMS GC的标记阶段时的开销，一般CMS的GC耗时 80%都在 remark阶段
正式因为上面这些问题，所以没有任意一个jdk版本默认采用CMS收集器，但是它产生的意义是很大的，并发收集！

4.5 G1

4.5.1 G1堆的划分

G1的出现就是来替代CMS的，它能提供更低的延迟。与其他垃圾收集器相比，G1在内存上属于逻辑分代，物理不分代。堆内存不再划分为连续的年轻代和老年代，而是划分为一定数量的堆区域 heap region，这些region可以是Eden，Surviror，Old区的任何一种。所有的Eden区和Surviror区统称为年轻代，所有的Old区称为老年代。 所以是逻辑上分代， 而且某个区域的类型是可变的（当前时刻是属于Eden区，可能等会就是Old区了）。

有些点需要注意：

1. 整个堆被划分为很多个(不超过2048)固定大小的Region，大小可以配置从1M(默认)～32M（-XX:G1HeapRegionSize但是不建议手动改）
2. 所有的Eden、Survivor在逻辑上统称为年轻代，且不需要连续，这样可以使得Resize Region变得容易
3. 所有的Old Region在逻辑上统称为老年代，且不需要连续
4. 还有一种Region类型是：Humongous regions，它用来存放超过Region 50%大小的对象，他们被存储到专门的连续的Region中。而不是把他们存到Old的Region，因为可以节约Old区的空间，降低发生gc的频率。
5. 一个Region在当时是属于Eden，可能过会儿就成为了Old，也可能是Survior

4.5.2 G1的YoungGC

注意到上图的Young区是不需要连续的, 存活的对象将被转移(复制或者移动)到Survivor区或者Old区(age达到了阈值)。
总结YoungGC的收集过程:

1. YoungGC只收集Young generation里面的regions
2. YoungGC是需要STW的，younggc使用多线程完成。
3. Eden区和Surviror区的大小会被计算用于下一次YoungGC，用于优化给定的gc暂停时间，这种方式使得resize region变得容易，可以在需要的时候把他们变大，或者变小。

YoungGC并不是说现有的Eden区放满了就会马上触发，而且G1会计算下现在Eden区回收大 概要多久时间，如果回收时间远远小于参数 -XX:MaxGCPauseMills 设定的值，那么增加年轻代 的region，继续给新对象存放，不会马上做Young GC，直到下一次Eden区放满，G1计算回收时 间接近参数 -XX:MaxGCPauseMills 设定的值，那么就会触发Young GC

4.5.3 G1的MixedGC

在old区回收会经历下面几个阶段，一些阶段也会在Young区发生。

阶段	描述
(1) Initial Mark (Stop the World Event)	会STW. 依托于一次普通的YoungGC. 在Old区标记出roots对象. 逻辑上global concurrent marking与evacuation是相对独立的。但是global concurrent marking之中initial marking要做的事情正好跟young GC要做的事情有重叠——遍历根集合，所以在实现上把它们安排在一起做。 一个young GC可以顺带做initial marking，也可以不做； 一个正常的initial marking（除非是System.gc()+ -XX:+ExplicitGCInvokesConcurrent）总是搭在young GC上做。
(2) Root Region Scanning	Scan survivor regions for references into the old generation. This happens while the application continues to run. The phase must be completed before a young GC can occur.
(3) Concurrent Marking	在整个堆上查找存活的对象，计算存活率较低的regions. 此时用户线程可以运行. 这个阶段可以被年轻代垃圾收集中断.
(4) Remark (Stop the World Event)	重新标记存活的对象. 用一种叫做 snapshot-at-the-beginning (SATB) 的算法(比CMS的算法快).
(5) Cleanup (Stop the World Event and Concurrent)	1. 对存活的对象和空regions做计算. (Stop the world) 2. Scrubs the Remembered Sets. (Stop the world) 3. 回收空的Regions. (Concurrent)
(*) Copying (Stop the World Event)	移动或者复制存活的对象到未使用的regions里面，此阶段是STW的. 可以在年轻代完成(在log中标记为:[GC pause (young)]). 也可以在年轻代和老年代完成(在log中标记为: [GC Pause (mixed)]).

MixedGC： 收集young gen里的所有region，外加若干选定的old gen region和大对象Region。控制mixed GC开销的手段是选多少个、哪几个old gen region, 根据用户设置的期望暂停时间，来选择那些收益较高的old regions。 所以：MixedGC不是FullGC。

4.5.4 G1的FullGC

如果MixedGC的速度跟不上程序程序分配新对象的速度，导致Old区被填满
会切换到G1之外的Serial Old单线程GC来收集整个堆FullGC.

4.5.5 G1最佳实践配置

1. 开启G1

   java -Xmx4G -Xms4G -XX:+UseG1GC -XX:MaxGCPauseMillis=200 -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=45

2. 完整的G1的配置：

Option and Default Value	Description
-XX:+UseG1GC	Use the Garbage First (G1) Collector
-XX:MaxGCPauseMillis=n	Sets a target for the maximum GC pause time. This is a soft goal, and the JVM will make its best effort to achieve it.
-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=n	Percentage of the (entire) heap occupancy to start a concurrent GC cycle. It is used by GCs that trigger a concurrent GC cycle based on the occupancy of the entire heap, not just one of the generations (e.g., G1). A value of 0 denotes 'do constant GC cycles'. The default value is 45.
-XX:NewRatio=n	Ratio of new/old generation sizes. The default value is 2.
-XX:SurvivorRatio=n	Ratio of eden/survivor space size. The default value is 8.
-XX:MaxTenuringThreshold=n	Maximum value for tenuring threshold. The default value is 15.
-XX:ParallelGCThreads=n	Sets the number of threads used during parallel phases of the garbage collectors. The default value varies with the platform on which the JVM is running.
-XX:ConcGCThreads=n	Number of threads concurrent garbage collectors will use. The default value varies with the platform on which the JVM is running.
-XX:G1ReservePercent=n	Sets the amount of heap that is reserved as a false ceiling to reduce the possibility of promotion failure. The default value is 10.
-XX:G1HeapRegionSize=n	With G1 the Java heap is subdivided into uniformly sized regions. This sets the size of the individual sub-divisions. The default value of this parameter is determined ergonomically based upon heap size. The minimum value is 1Mb and the maximum value is 32Mb.

5. 记录GC的日志

-XX:+PrintGCDetails
-XX:+PrintGCTimeStamps
-XX:+PrintGCDateStamps
-XX:+UseGCLogFileRotation
-XX:NumberOfGCLogFiles=10
-XX:GCLogFileSize=10m
-Xloggc:/xxx/logs/gc.log

持续更新～～

参考文献：

Major GC和Full GC的区别是什么？
Oracle G1
R大神关于G1的原理介绍
美团-G1介绍