【Java】JVM 垃圾回收基础

• Z时代
• 2024-01-10
• 分类：技术分享

ReferenceQueue<String> queue = new ReferenceQueue<>();
PhantomReference<String> phantomReference = new PhantomReference<>("Hello", queue);

什么是垃圾

内存中不在被使用到的内存空间，就是垃圾。
Java中的内存是动态分配和自动回收的。学习垃圾收集机制，调优策略，能够帮助我们处理和应对各种工作中面临的内存泄漏问题。

Java 虚拟机运行时数据区分为程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈、堆、方法区。
其中程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈这 3 个区域是线程私有的，会随线程消亡而自动回收，所以不需要管理。
因此垃圾收集只需要关注堆和方法区。

Java的内存分配

堆上分配

• 如果启动了本地线程分配缓冲，将按线程优先分配在TLAB上。
• 对象优先在Eden上分配
• 大对象进入老年代
• 长期存活的对象进入老年代

栈上分配

基于逃逸分析技术，如果一个对象始终在一个方法内。确定这个对象不会逃逸方法之外，那让这个对象在栈上分配内存，这样对象就会随着方法的结束而自动销毁，降低了垃圾回收的压力。

如何判定垃圾

引用计数法

给对象添加一个引用计数器，有对这个对象的引用就对计数加1，引用失效就减1，任何时刻计数器为0的对象就是判定为垃圾。

• 优点：实现简单，效率高。
• 缺点：不能解决对象循环引用的问题。在多线程环境下，引用计数变更也要进行昂贵的同步操作，性能较低。

可达性分析法

目前主流的虚拟机才有的算法。他是从根节点（GC Root）向下去搜索对象节点，搜索走过的路径称为引用链，当一个对象到根节点之间没有联通的话，这个对象判定为垃圾。

GC Root对象

可以作为GC Roots的对象包括：

• 虚拟机栈中引用的对象
• 方法区类静态属性信用的对象
• 方法去常量引用的对象
• 本地方法栈中JNI（Native方法）引用的对象

引用类型

判断一个对象的存活跟引用有关，jdk1.2之前，引用只是指引用类型的数据中存储了另一块内存的地址。jdk1.2之后，java的引用分为以下四种。

• 强引用：Object obj = new Object();最常见的引用，这样通过new创建的会产生该对象的强引用。只要对象有强引用指向，并且GC Roots可达，那么就不会回收该对象。
• 软引用: SotfReference类来实现。表示一些还有用但是非必须的对象。在OOM前，垃圾收集器会把这些软引用指向的对象加入回收范围，对于软引用关联的对象，只有在内存不足的时候才会回收。
• 弱引用：WeakReference,表示非必要对象，在YGC时候会被回收。由于YGC时间不确定，所以弱引用随时都有可能被回收。
• 虚引用：PhantomReference,无法通过该引用获取指向的对象。在任何时候都可能被垃圾回收器回收。虚引用主要用来跟踪对象被垃圾回收器回收的活动，必须和引用队列配合使用:

如

ReferenceQueue<String> queue = new ReferenceQueue<>();
PhantomReference<String> phantomReference = new PhantomReference<>("Hello", queue);

当垃圾回收器准备回收一个对象时，发现他有虚引用，就会在回收这对象的内存前，把这个虚引用加入队列，程序通过引用队列中是否有该虚引用，来了解对象是否要被垃圾回收器回收，然后可以在回收前做一些事情。

垃圾收集算法

标记-清除 （Mark-Sweep）

最基础的算法，第一步，先标记，从GC Roots出发，依次标记对象引用关系，然后，将没有被标记的对象清除。
缺点：一个是效率问题，标记和清除两个过程效率都不高；另外，清除过后会产生大量不连续的内存碎片。导致当我们需要分配大对象时候，无法找到足够的连续内存而又触发一次GC。

复制（Copy）

复制算法：把内存分为两块大小相同的区域，每次使用其中一块，当使用完了，就把这一块区域上还存活对象拷贝到另一块，然后把这一块清除掉。不会造成内存碎片，但是内存利用率不高，会造成一半的空间浪费。

新生代上的对象大多数“朝生夕死”，HotSpot默认将新生代内存划分为一个大的Eden区和两个小的Surivor区。在GC时，将Eden区和一个Surivor区中存活的对象，复制到另外一个Surivor区。Eden区和两个Surivor区比例默认8：1：1，所以这时候只会浪费10%的空间。

标记-整理(Mark-Compact)

和标记清除一样，先标记，但是后续不直接回收对象清理，而是让存活的对象向一端移动，然后直接清理掉端边界之外的内存。

由于复制算法在存活对象比较多的时候，效率比较低，且有空间浪费，所以老年代一般会选用标记-整理算法。

### 三种GC算法对比

分代收集

将上面的各种算法组合在一起，因地制宜。一般我们把堆空间分为新生代和老年代。根据他们的特定采用不同的垃圾回收算法，在新生代，每次GC都会有大量对象死去，少数存活，所以采用复制算法。只用付出少数对象的复制成本，不会造成不连续的内存碎片。而在老年代，对象存活率高，则采用标记整理或者标记清除。

垃圾收集器

术语

• STW: "Stop The World"简写，也叫全局停顿。会造成服务暂停，没有响应。
• 串行收集： GC单线程内存回收，会暂停所有的用户线程。比如Serial, Serial Old
• 并行收集: 多线程进行并发GC，此时暂停用户线程。比如Parallel
• 并发收集：用户线程和GC线程同时执行，不需要停顿用户线程.适合对响应时间有要求的场景。比如CMS收集器

Serial/Serial Old

Serial是一个单线程的收集器，它只会使用一个CPU或一个收集线程去做垃圾收集，并且在做垃圾收集时需要停止所有的工作线程，知道收集工作结束。Serial停止用户线程，采用复制算法收集年轻代，Serial Old采用标记-整理算法收集老年代。

特点：单线程收集，STW

使用 -XX:+UseSerialGC 开启Serial + Serial Old

ParNew

Serial的多线程版本，使用多线程进行垃圾收集。他是新生代的垃圾收集器。需要配合老年代的CMS收集器使用。所以开启需要使用CMS,新生代默认ParNew.

可以通过 ==-XX:ParallelGCThreads== 参数来控制收集的线程数，过程也是STW

Parallel Scavenge/Paraller Old

Parallel Scavenge是新生代的收集器，采用复制算法，多线程的收集器，Paraller Old是老年代收集器，也是多线程收集，采用标记-整理算法。

主要参数

• -XX:UseParallelGC 开启
• -XX:MaxGCPauseMillis 最大垃圾收集停顿时间
• -XX:GCTimeRatio 设置吞吐量大小

可控的吞吐量

通过参数 -XX:MaxGCPauseMillis 控制最大GC停顿时间。-XX:GCTimeRatio 设置吞吐量大小

提升吞吐量可以高效利用CPU时间，尽快完成程序任务。

自适应GC策略

处理提供了上面两个参数控制吞吐量大小以外，Parallel Scavenge还可以通过 -XX:+UseAdptiveSizePolicy, 开启指示仪GC策略。打开后，就不再需要手动设置新生代大小，Eden/Surivor比例等参数，虚拟机会根据系统运行状况，动态调整这些参数，从而达到最优的停顿时间，和最高吞吐量。

CMS

• 1.初始标记：只标记GC Roots能直接关联到的对象，会STW。
• 2.并发标记：进行GC Roots Tracing的过程，GC线程和用户线程同时执行。
• 3.重新标记 ：修正并发标记期间，因程序运行导致标记发生变化的那些对象。会STW
• 4.并发清除：并发回收垃圾对象（GC线程和用户线程同时执行）
• 5.并发重置：清理本次CMS GC上下文信息，为下一次GC做准备。

优点：低停顿，并发执行

缺点：

• 由于并发执行，所以对CPU资源压力大。
• 无法处理在收集过程中产生的浮动垃圾。
• 由于采用标记-清除算法，所以会才是大量内存碎片。而导致在需要分配大对象是内存不足，触发FullGC。

使用 -XX:UseConcMarkSweepGC 开启 ParNew+CMS/SerialOld 收集器组合，即新生代采用ParNew,老年代CMS，当CMS出错后，SerialOld备用。
为了解决内存碎片问题，CMS可以通过-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection，强制JVM在FullGC完成后对老年代进行压缩，执行碎片整理，同时会STW。想要减少STW次数，可以配置-XX:+CMSFullGCsBeforeCompaction参数，在执行设置的次数后，JVM再在老年代进行空间整理。

JDK9已经将CMS标记为弃用，在JDK14中已经将CMS删除。

G1

JDK7推出的新一代收集器，
是一个面向服务端应用的收集器。相比上面的收集器，
G1作用在整个堆，而其他的收集器都是只作用在新生代或老年代。

G1将Java Heap分割成一些大小相同的Region,通过参数-XX：G1HeapRegionSize指定Region的大小，取值范围为1～32M，应为2的N次幂。G1对每个Region做了分类， 分别包括：Eden，Surivor，Old， Humongous, 其中Humongous相当于一个大的Old，用来存放大对象。

如下图：G1的堆内存布局和传统的堆内存布局不同。

G1将空间分成多个区域，跟踪每个区域里面的垃圾堆积的价值大小，构建一个优先列表，优先收集垃圾最多的区域，这也是它为什么叫Garbage-First的原因。

G1与CMS相比的，有何特点

• 并发与并行：充分的利用多CPU，缩短STW时间。并发标记阶段可与用户线程并发执行，最终标记阶段GC线程可并行执行。
• 分代收集：G1可以不与其他垃圾收集器配合，独立完成整个GC堆的垃圾收集。
• 空间整合：G1整体看是采用“标记-整理”算法实现的，局部也有Eden和Surivor Region看上去是采用“复制”算法来实现。整个过程避免了产生内存碎片。
• 停顿时间可控制：G1除了追求低停顿，还能建立可预测的停顿时间模型，能让用户指定在一个时间段内，消耗在收集上的时间不超过一个时间段。

G1垃圾收集模式

Young GC

• 1.所有Eden Region都满了时，就会触发Young GC
• 2.Eden Region里的对象会转移到Surivor Region
• 3.原Surivor Region中的对象转移到另一个Surivor,或者晋升到Old Region
• 4.空闲Region会被放入空闲列表，等待下次使用。

Mixed GC

当老年代占整个Heap的大小百分比达到一个阀值（-XX:InitialingHeapOccupancyPercent）时,默认45%，就会触发Mixed GC,
收集整个新生代以及部分老年代。

Mixed GC 回收过程

• 1.初始标记：只标记GC Roots能关联到的对象。修改TAMS的值，此阶段会STW.
• 2.并发标记: 从GC Root开始对堆内存中的对象进行可达性分析，找出存活的对象，此过程可以和用户线程并发执行。
• 3.最终标记：修正在并发标记阶段用户线程继续运行导致标记产生变动的记录。此过程STW，但是可以并行执行。
• 4.筛选回收：对各个Region的回收价值和成本进行排序，根据用户期望的停顿时间制定回收计划。

Full GC

当复制对象内存不够时，或无法分配足够空间时，触发Full GC
Full GC模式是采用Serial Old收集的，所以会STW。

如何减少Full GC？

• 增大-XX:G1ReserverPercent,来增加预留内存。
• 减少 -XX:InitialingHeapOccupancyPercent,当老年代达到这个值是就触发Mixed GC,
• 增加 -XX:ConcGCThreads 并发阶段的线程数。

总结

对以上介绍的垃圾回收器总结

• Serial 串行，作用于新生代，采用复制算法
• ParNew 并行，作用于新生代，采用复制算法
• Serial Old 串行，作用于老年代，标记-整理算法
• Parallel 并行， 作用于新生代， 复制算法
• Parallel Old 并行， 作用于老年代， 标记-整理算法
• CMS 并发， 作用于老年代， 标记-清除算法
• G1 并发+并行， 作用于整个堆，复制算法，标记-整理

参考资料

《深入理解Java虚拟机 JVM高级特性与最佳实践》

以上是 【Java】JVM 垃圾回收基础 的全部内容， 来源链接： utcz.com/a/107263.html