聊聊JAVA虚拟机中的垃圾收集器

Posted 2020-11-04

前言

JAVA虚拟机的垃圾收集器是虚拟机内存的清道夫，它的存在让JAVA开发人员能将更多精力投入到业务研发上。了解垃圾收集器，并利用好这个工具，能更好的保障服务稳定性。这篇文章通过分析JAVA虚拟机内存模型，介绍垃圾收集器常用算法和收集器类别，使得垃圾收集器的配置和使用变得不再遥不可及。

JAVA虚拟机内存模型

JAVA虚拟机内存可以划分为：虚拟机栈、本地方法栈、JAVA堆内存、方法区(包含运行时常量池)、程序计数器、直接内存。

虚拟机栈

虚拟机栈是线程私有的，生命周期跟线程相同。也就是说一个线程被创建后，虚拟机为其分配了一个独立的栈帧来存储线程的局部变量、操作数、动态链接、方法出口等信息，当线程结束后，该栈帧也会被回收清理。

本地方法栈

本地方法栈是虚拟机的native方法执行期间使用的一个栈帧。

JAVA堆内存

堆内存是被所有线程共享的一块区域，用来存放对象实例和数组，属于内存中最大的一块区域，也是垃圾收集的主要区域。从垃圾收集的角度看，堆内存经常分为新生代和老年代。

方法区

方法区也是被所有线程共享的一块区域，用来存储被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、JIT编译后代码等数据。也可以成为永久代。

程序计数器

程序计数器是线程私有的，作为当前线程所执行的字节码的行号指示器，每个线程有一个程序计数器，用于记录CPU切换线程时记录当前线程的执行位置，以便下次继续从当前位置往下执行。

直接内存

这块不属于JAVA虚拟机内存，但使用频繁，也可称之为“堆外内存”

JAVA虚拟机垃圾收集器

根据上述对JAVA虚拟机内存区域模型的介绍，我们知道JAVA程序中的对象实例都存储在JAVA堆内存中，因此垃圾收集主要也是针对堆内存进行。为了更好的管理JAVA对象实例，并结合对象实例的生存时间长短，JAVA虚拟机将堆内存分为新生代和老年代，分别存储刚创建不久的对象和存活较长时间的对象实例，并采用分代收集的策略分别回收新生代和老年代的内存。

内存分配与回收策略

• 1、 分代收集思路。根据JAVA对象的生存周期特点，虚拟机将堆内存分为新生代和老年代，并分别采用新生代和老年代的垃圾回收策略。
• 2、 新生代细分为Eden区和两个Survivor区(即From区和To区)。大多数新生对象创建频繁，且存活时间短，为了提高新生代区域垃圾收集效率，新创建的对象存放在Eden区，当Eden区快满的时候，虚拟机对其触发一次Minor GC，将新生代存活对象移动到From区，原来From区的对象根据存活年龄决定放到To区还是老年代，然后清空Eden区和From区，接着将To区对象全部移到From区。
• 3、 大对象直接进入老年代，可以配置新生代对象的最大值，对象超过这个值就直接进入老年代。
• 4、 发起Minor GC前，会先判断老年代最大可用连续空间是否大于新生代对象占用的空间，如果小于或不允许冒险，则触发一次Full GC。

  垃圾收集算法（3种基本算法）

• 1、 复制算法。针对于新生代的垃圾收集算法。当新生代Eden区快满的时候，将Eden区对象复制到From区，将From区对象根据存活年龄决定复制到To区还是到老年代，然后清除Eden区和From区，接着将To区对象复制到From区。
• 2、 标记-清除算法。垃圾收集算法标记出需要回收的对象，标记完成后直接统一回收。垃圾收集器使用可达性分析来判断哪些对象是否存活，通过设置一系列GC Roots节点（包括栈、方法区中的静态属性和常量所引用的对象，以及本地方法栈中引用的对象），从这类节点往下搜索，当对象不在GC Root节点的引用链上时，说明对象不可达，可以被回收。
• 3、 标记-整理算法。垃圾收集算法标记出需要回收的对象，标记完成后将存活对象往内存的一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存。

  常用垃圾收集器

  由于虚拟机中的垃圾收集是分代收集的，新生代和老年代的垃圾收集策略不太一样，所以一般是使用针对新生代和老年代的垃圾收集器组合。

• 1、 Serial GC。新生代收集器，采用复制算法，用于Client客户端新生代垃圾收集，针对内存占用较少的应用进行垃圾收集。
• 2、 Serial Old GC。老年代收集器，采用标记-整理算法，用于Client客户端老年代垃圾收集，针对内存占用较少的应用进行垃圾收集。
• 3、 Parallel Scavenge GC。新生代收集器，采用复制算法，并行收集新生代内存垃圾，可以设置垃圾收集器的吞吐量，还可以设置自动适配调节吞吐量。
• 4、 Parallel New GC。新生代收集器，采用复制算法，并行收集新生代内存垃圾。
• 5、 Parallel Old GC。老年代收集器，采用标记-整理算法，并行收集老年代内存垃圾。
• 6、 CMS GC。老年代收集器，采用标记-清除算法，并行收集老年代内存垃圾，不整理内存。由于在执行垃圾收集期间不中断业务线程，所以容易产出“浮动垃圾”，导致Full GC。可以通过设置参数来触发内存整理任务。
• 7、 G1 GC。不再将堆内存区分新生代和老年代，而是将堆内存看作若干个均分小区域，并对最空闲的内存区域进行标记和回收。适用于大内存的应用。