JVM-垃圾回收篇

目录

• JVM-垃圾回收篇
  • 前言
    • 举个例子
  • JVM 有哪些垃圾回收算法？
    • 标记-清除算法
    • 复制算法
    • 标记-整理算法
    • 分代收集算法
  • JVM 有哪些垃圾回收器？
    • 概述
    • 几个相关概念
    • 一：Serial 收集器
    • 二：ParNew收集器
    • 三：Parallel Scavenge 收集器
    • 四：Serial Old 收集器
    • 五：Parallel Old 收集器
    • 六：CMS收集器
      • 优点
      • 缺点
    • 七：G1收集器
      • 缺点
      • G1怎么工作
        • 分区Region：化整为零（分散开）
        • 指针碰撞
        • 垃圾回收过程
    • 新生代垃圾回收器和老年代垃圾回收器都有哪些？有什么区别？
    • 简述分代垃圾回收器是怎么工作的？
    • 总结
      • 根据具体的情况选用不同的垃圾收集器
      • GC发展阶段
      • 组合
      • 怎么选择垃圾回收器
  • 引用的分类
  • 参考资料

JVM-垃圾回收篇

前言

C语言中的内存需要程序员手动进行申请和回收，不然会出现内存泄露的问题。

举个例子

下图是单链表操作中的内存申请和回收

1. C语言版本（参考代码链接：<https://gitee.com/qianlilo/linklist）
   1. 插入单链表时，进行内存空间的申请，需要指明内存空间的大小

1. 删除单链表中某一个节点时，对该节点的内存空间进行free操作，释放空间。（s是垃圾）

1. Java版本（参考代码链接：<https://gitee.com/moline-x/LinkListReview）

   1. 插入单链表时，给前一个节点增加要插入节点的引用，并且将前一个节点的原先的下一个节点赋给插入节点的next指针。（不涉及到内存大小的申请，只设计到new对象操作）

      

   2. 删除单链表时，将前一个节点的指针指向下一个节点的指针，并且将要删除的指针的next赋值null操作。其中的retNode是待回收的垃圾。

      （只是将不会用到的对象其引用去掉，不涉及内存的释放操作）

      

JVM 有哪些垃圾回收算法？

• 标记-清除算法：标记无用对象，然后进行清除回收。缺点：效率不高，无法清除垃圾碎片。
• 复制算法：按照容量划分二个大小相等的内存区域，当一块用完的时候将活着的对象复制到另一块上，然后再把已使用的内存空间一次清理掉。缺点：内存使用率不高，只有原来的一半。
• 标记-整理算法：标记无用对象，让所有存活的对象都向一端移动，然后直接清除掉端边界以外的内存。
• 分代算法：根据对象存活周期的不同将内存划分为几块，一般是新生代和老年代，新生代基本采用复制算法，老年代采用标记整理算法。

标记-清除算法

标记无用对象，然后进行清除回收。

标记-清除算法（Mark-Sweep）是一种常见的基础垃圾收集算法，它将垃圾收集分为两个阶段：

• 标记阶段：标记出可以回收的对象。
• 清除阶段：回收被标记的对象所占用的空间。

标记-清除算法之所以是基础的，是因为后面讲到的垃圾收集算法都是在此算法的基础上进行改进的。

优点：实现简单，不需要对象进行移动。

缺点：标记、清除过程效率低，产生大量不连续的内存碎片，提高了垃圾回收的频率。

标记-清除算法的执行的过程如下图所示

复制算法

为了解决标记-清除算法的效率不高的问题，产生了复制算法。它把内存空间划为两个相等的区域，每次只使用其中一个区域。垃圾收集时，遍历当前使用的区域，把存活对象复制到另外一个区域中，最后将当前使用的区域的可回收的对象进行回收。

优点：按顺序分配内存即可，实现简单、运行高效，不用考虑内存碎片。

缺点：可用的内存大小缩小为原来的一半，对象存活率高时会频繁进行复制。

复制算法的执行过程如下图所示

标记-整理算法

Mark-Compact，又称标记-压缩算法

在新生代中可以使用复制算法，但是在老年代就不能选择复制算法了，因为老年代的对象存活率会较高，这样会有较多的复制操作，导致效率变低。标记-清除算法可以应用在老年代中，但是它效率不高，在内存回收后容易产生大量内存碎片。因此就出现了一种标记-整理算法（Mark-Compact）算法，与标记-整理算法不同的是，在标记可回收的对象后将所有存活的对象压缩到内存的一端，使他们紧凑的排列在一起，然后对端边界以外的内存进行回收。回收后，已用和未用的内存都各自一边。

优点：解决了标记-清理算法存在的内存碎片问题。

缺点：仍需要进行局部对象移动，一定程度上降低了效率。

标记-整理算法的执行过程如下图所示

分代收集算法

当前商业虚拟机都采用分代收集的垃圾收集算法。分代收集算法，顾名思义是根据对象的存活周期将内存划分为几块。一般包括年轻代、老年代 和 永久代，如图所示：

• 伊甸园（Eden）：这是对象最初诞生的区域，并且对大多数对象来说，这里是它们唯一存在过的区域。
• 幸存者乐园（Survivor）：从伊甸园幸存下来的对象会被挪到这里。
• 终身颐养园（Tenured）：这是足够老的幸存对象的归宿。年轻代收集（Minor-GC）过程是不会触及这个地方的。当年轻代收集不能把对象放进终身颐养园时，就会触发一次完全收集（Major-GC），这里可能还会牵扯到压缩，以便为大对象腾出足够的空间。
• 永久代：通常是指方法区。

JVM 有哪些垃圾回收器？

概述

如果说垃圾收集算法是内存回收的方法论，那么垃圾收集器就是内存回收的具体实现。下图展示了7种作用于不同分代的收集器，其中用于回收新生代的收集器包括Serial、PraNew、Parallel Scavenge，回收老年代的收集器包括Serial Old、Parallel Old、CMS，还有用于回收整个Java堆的G1收集器。不同收集器之间的连线表示它们可以搭配使用。

• Serial收集器（复制算法): 新生代单线程收集器，标记和清理都是单线程，优点是简单高效；
• ParNew收集器 (复制算法): 新生代收并行集器，实际上是Serial收集器的多线程版本，在多核CPU环境下有着比Serial更好的表现；
• Parallel Scavenge（并行清除）收集器 (复制算法): 新生代并行收集器，追求高吞吐量，高效利用 CPU。吞吐量 = 用户线程时间/(用户线程时间+GC线程时间)，高吞吐量可以高效率的利用CPU时间，尽快完成程序的运算任务，适合后台应用等对交互相应要求不高的场景；
• Serial Old收集器 (标记-整理算法): 老年代单线程收集器，Serial收集器的老年代版本；
• Parallel Old收集器 (标记-整理算法)： 老年代并行收集器，吞吐量优先，Parallel Scavenge收集器的老年代版本；
• CMS(Concurrent Mark Sweep)收集器（标记-清除算法）： 老年代并行收集器，以获取最短回收停顿时间为目标的收集器，具有高并发、低停顿的特点，追求最短GC回收停顿时间。
• G1(Garbage First)收集器 (标记-整理算法)： Java堆并行收集器，G1收集器是JDK1.7提供的一个新收集器，G1收集器基于“标记-整理”算法实现，也就是说不会产生内存碎片。此外，G1收集器不同于之前的收集器的一个重要特点是：G1回收的范围是整个Java堆(包括新生代，老年代)，而前六种收集器回收的范围仅限于新生代或老年代。

先看下图解HotSpot虚拟机所包含的收集器：

图中展示了7种作用于不同分代的收集器，如果两个收集器之间存在连线，则说明它们可以搭配使用。虚拟机所处的区域则表示它是属于新生代还是老年代收集器。

新生代收集器：Serial、ParNew、Parallel Scavenge

老年代收集器：CMS、Serial Old、Parallel Old

整堆收集器： G1

几个相关概念

垃圾是什么

并行收集：指多条垃圾收集线程并行工作，但此时用户线程仍处于等待状态。

并发收集：指用户线程与垃圾收集线程同时工作（不一定是并行的可能会交替执行）。用户程序在继续运行，而垃圾收集程序运行在另一个CPU上。

吞吐量：即CPU用于运行用户代码的时间与CPU总消耗时间的比值（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 )）。例如：虚拟机共运行100分钟，垃圾收集器花掉1分钟，那么吞吐量就是99%

经典的垃圾回收器

一：Serial 收集器

Serial收集器是最基本的、发展历史最悠久的收集器。

特点：单线程、简单高效（与其他收集器的单线程相比），对于限定单个CPU的环境来说，Serial收集器由于没有线程交互的开销，专心做垃圾收集自然可以获得最高的单线程手机效率。收集器进行垃圾回收时，必须暂停其他所有的工作线程，直到它结束（Stop The World）。

应用场景：适用于Client模式下的虚拟机。

Serial / Serial Old收集器运行示意图

二：ParNew收集器

ParNew收集器其实就是Serial收集器的多线程版本。

除了使用多线程外其余行为均和Serial收集器一模一样（参数控制、收集算法、Stop The World、对象分配规则、回收策略等）。

特点：多线程、ParNew收集器默认开启的收集线程数与CPU的数量相同，在CPU非常多的环境中，可以使用-XX:ParallelGCThreads参数来限制垃圾收集的线程数。

　　　和Serial收集器一样存在Stop The World问题

应用场景：ParNew收集器是许多运行在Server模式下的虚拟机中首选的新生代收集器，因为它是除了Serial收集器外，唯一一个能与CMS收集器配合工作的。

ParNew/Serial Old组合收集器运行示意图如下：

三：Parallel Scavenge 收集器

与吞吐量关系密切，故也称为吞吐量优先收集器。

特点：属于新生代收集器也是采用复制算法的收集器，又是并行的多线程收集器（与ParNew收集器类似）。

该收集器的目标是达到一个可控制的吞吐量。还有一个值得关注的点是：GC自适应调节策略（与ParNew收集器最重要的一个区别）

GC自适应调节策略：Parallel Scavenge收集器可设置-XX:+UseAdptiveSizePolicy参数。当开关打开时不需要手动指定新生代的大小（-Xmn）、Eden与Survivor区的比例（-XX:SurvivorRation）、晋升老年代的对象年龄（-XX:PretenureSizeThreshold）等，虚拟机会根据系统的运行状况收集性能监控信息，动态设置这些参数以提供最优的停顿时间和最高的吞吐量，这种调节方式称为GC的自适应调节策略。

Parallel Scavenge收集器使用两个参数控制吞吐量：

• XX:MaxGCPauseMillis 控制最大的垃圾收集停顿时间
• XX:GCRatio 直接设置吞吐量的大小。

四：Serial Old 收集器

Serial Old是Serial收集器的老年代版本。

特点：同样是单线程收集器，采用标记-整理算法。

应用场景：主要也是使用在Client模式下的虚拟机中。也可在Server模式下使用。

Server模式下主要的两大用途（在后续中详细讲解···）：

1. 在JDK1.5以及以前的版本中与Parallel Scavenge收集器搭配使用。
2. 作为CMS收集器的后备方案，在并发收集Concurent Mode Failure时使用。

Serial / Serial Old收集器工作过程图（Serial收集器图示相同）：

五：Parallel Old 收集器

是Parallel Scavenge收集器的老年代版本。

特点：多线程，采用标记-整理算法。

应用场景：注重高吞吐量以及CPU资源敏感的场合，都可以优先考虑Parallel Scavenge+Parallel Old 收集器。

Parallel Scavenge/Parallel Old收集器工作过程图：

六：CMS收集器

前言：一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器。

CMS 是英文 Concurrent Mark-Sweep 的简称，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。对于要求服务器响应速度的应用上，这种垃圾回收器非常适合。在启动 JVM 的参数加上“-XX:+UseConcMarkSweepGC”来指定使用 CMS 垃圾回收器。

CMS 使用的是标记-清除的算法实现的，所以在 gc 的时候回产生大量的内存碎片，当剩余内存不能满足程序运行要求时，系统将会出现 Concurrent Mode Failure，临时 CMS 会采用 Serial Old 回收器进行垃圾清除，此时的性能将会被降低。

特点：基于标记-清除算法实现。并发收集、低停顿。

应用场景：适用于注重服务的响应速度，希望系统停顿时间最短，给用户带来更好的体验等场景下。如web程序、b/s服务。

CMS收集器的运行过程分为下列4步：

初始标记：标记GC Roots能直接到的对象（原因：就像遍历树形结构，第二层开始往叶子节点遍历是可以并行的，这样停顿时间最短）。速度很快但是仍存在Stop The World问题。

并发标记：进行GC Roots Tracing 的过程，找出存活对象且用户线程可并发执行。

重新标记：为了修正并发标记期间因用户程序继续运行而导致标记产生变动的那一部分对象的标记记录。仍然存在Stop The World问题。时间比初始标记稍微长一些，但是远比并发标记的时间短。

并发清除：对标记的对象进行清除回收。

CMS收集器的内存回收过程是与用户线程一起并发执行的。

CMS收集器的工作过程图：

优点

1. 并发收集
2. 低迟延

缺点

1. 对CPU资源非常敏感。在并发阶段，虽然用户进程不会停顿，但是GC占用了一部分的线程导致应用程序变慢，总吞吐量会变慢。

2. 无法处理浮动垃圾（在并发标记中新产生的垃圾对象），可能出现Concurrent Model Failure失败而导致另一次Full GC的产生。

   

3. 因为采用标记-清除算法所以会存在空间碎片的问题，导致大对象无法分配空间，不得不提前触发一次Full GC。

问题

CMS在JDK后续版本中的地位

七：G1收集器

前言

1. 一款面向服务端应用的垃圾收集器。
2. JDK9之后的默认来及回收器。
3. 软实时 soft real-time
4. 以空间换时间
5. 简化JVM性能调优
   
   

特点如下：

1. 并行与并发：G1能充分利用多CPU、多核环境下的硬件优势，使用多个CPU来缩短Stop-The-World停顿时间。部分收集器原本需要停顿Java线程来执行GC动作，G1收集器仍然可以通过并发的方式让Java程序继续运行。在乎吞吐量，就改为并行的。

   1. 并行可以多个GC线程同时工作，但是用户线程STW
   2. 并发时，GC线程可以和用户线程交替进行执行。

2. 分代收集：G1能够独自管理整个Java堆，并且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、熬过多次GC的旧对象以获取更好的收集效果。不要求堆是连续的。

   

3. 空间整合：【标记-整理算法】G1运作期间不会产生空间碎片，收集后能提供规整的可用内存。

4. 可预测的停顿：G1除了追求低停顿外，还能建立可预测的停顿时间模型。能让使用者明确指定在一个长度为M毫秒的时间段内，消耗在垃圾收集上的时间不得超过N毫秒。

G1为什么能建立可预测的停顿时间模型？

因为它有计划的避免在整个Java堆中进行全区域的垃圾收集。G1跟踪各个Region里面的垃圾堆积的大小，在后台维护一个优先列表，每次根据允许的收集时间，优先回收价值最大的Region。这样就保证了在有限的时间内可以获取尽可能高的收集效率。

G1与其他收集器的区别

其他收集器的工作范围是整个新生代或者老年代、G1收集器的工作范围是整个Java堆。在使用G1收集器时，它将整个Java堆划分为多个大小相等的独立区域（Region）。虽然也保留了新生代、老年代的概念，但新生代和老年代不再是相互隔离的，他们都是一部分Region（不需要连续）的集合。

G1收集器存在的问题

Region不可能是孤立的，分配在Region中的对象可以与Java堆中的任意对象发生引用关系。在采用可达性分析算法来判断对象是否存活时，得扫描整个Java堆才能保证准确性。其他收集器也存在这种问题（G1更加突出而已）。会导致Minor GC效率下降。

G1收集器是如何解决上述问题的？

采用Remembered Set来避免整堆扫描。G1中每个Region都有一个与之对应的Remembered Set，虚拟机发现程序在对Reference类型进行写操作时，会产生一个Write Barrier暂时中断写操作，检查Reference引用对象是否处于多个Region中（即检查老年代中是否引用了新生代中的对象），如果是，便通过CardTable把相关引用信息记录到被引用对象所属的Region的Remembered Set中。当进行内存回收时，在GC根节点的枚举范围中加入Remembered Set即可保证不对全堆进行扫描也不会有遗漏。

如果不计算维护 Remembered Set 的操作，G1收集器大致可分为如下步骤：

初始标记：仅标记GC Roots能直接到的对象，并且修改TAMS（Next Top at Mark Start）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。（需要线程停顿，但耗时很短。）

并发标记：从GC Roots开始对堆中对象进行可达性分析，找出存活对象。（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执行而导致标记产生变化的那一部分标记记录。且对象的变化记录在线程Remembered Set Logs里面，把Remembered Set Logs里面的数据合并到Remembered Set中。（需要线程停顿，但可并行执行。）

筛选回收：对各个Region的回收价值和成本进行排序，根据用户所期望的GC停顿时间来制定回收计划。（可并发执行）

G1收集器运行示意图：

缺点

不同点

G1怎么工作

分区Region：化整为零（分散开）

指针碰撞

​ 假设JVM堆中内存是规整的，所有用过的内存放在一边，没用过的内存放在另一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，那所分配内存的过程就仅仅是把那个指针向空闲空间的方向挪动一段与对象大小相等的距离，这种分配方式被称为“指针碰撞（Bump the Pointer）”。

垃圾回收过程

新生代垃圾回收器和老年代垃圾回收器都有哪些？有什么区别？

• 新生代回收器：Serial、ParNew、Parallel Scavenge
• 老年代回收器：Serial Old、Parallel Old、CMS
• 整堆回收器：G1

新生代垃圾回收器一般采用的是复制算法，复制算法的优点是效率高，缺点是内存利用率低；

老年代回收器一般采用的是标记-整理的算法进行垃圾回收。

简述分代垃圾回收器是怎么工作的？

分代回收器有两个分区：老生代和新生代，新生代默认的空间占比总空间的 1/3，老生代的默认占比是 2/3。

新生代使用的是复制算法，新生代里有 3 个分区：Eden、To Survivor、From Survivor，它们的默认占比是 8:1:1，它的执行流程如下：

• 把 Eden + From Survivor 存活的对象放入 To Survivor 区；
• 清空 Eden 和 From Survivor 分区；
• From Survivor 和 To Survivor 分区交换，From Survivor 变 To Survivor，To Survivor 变 From Survivor。

每次在 From Survivor 到 To Survivor 移动时都存活的对象，年龄就 +1，当年龄到达 15（默认配置是 15）时，升级为老生代。大对象也会直接进入老生代。

老生代当空间占用到达某个值之后就会触发全局垃圾收回，一般使用标记整理的执行算法。以上这些循环往复就构成了整个分代垃圾回收的整体执行流程。

总结

根据具体的情况选用不同的垃圾收集器

GC发展阶段

组合

红色虚线：JDK8弃用，JDK9移除

绿色的框，JDK9弃用，JDK14去掉，

绿色的线代表JDK14弃用。

怎么选择垃圾回收器

引用的分类

• 强引用：GC时不会被回收
• 软引用：描述有用但不是必须的对象，在发生内存溢出异常之前被回收
• 弱引用：描述有用但不是必须的对象，在下一次GC时被回收
• 虚引用（幽灵引用/幻影引用）:无法通过虚引用获得对象，用PhantomReference实现虚引用，虚引用用来在GC时返回一个通知。

参考资料

JVM_01 简介 - 傲娇的大王 - 博客园

(3条消息)JVM学习笔记（三）------内存管理和垃圾回收_走向架构师之路-CSDN博客

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Jvm垃圾回收器（终结篇） - 不二尘 - 博客园

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