JVM垃圾收集机制

Posted 2023-02-19

参考技术A

JVM垃圾回收机制是java程序员必须要了解的知识，对于程序调优具有很大的帮助（同时也是大厂面试必问题）。

要了解垃圾回收机制，主要从三个方面：

（1）垃圾回收面向的对象是谁？

（2）垃圾回收算法有哪些？

（3）垃圾收集器有哪些？每个收集器有什么特点。

接下来一一讲解清楚：

一、垃圾回收面向的对象

也就是字面意思， 垃圾 回收嘛，重要的是垃圾，那什么对象是垃圾呢，简单来说就是无用的或已死的对象。这样又引申出来什么对象是已死的，怎么判断对象是否已死？

判断对象是否已死有两种算法和对象引用分类：

（1）引用计数算法：

也是字面意思，通过给对象添加引用计数器，添加引用+1，反之-1。当引用为0的时候，此时对象就可判断为无用的。

优点：实现简单，效率高。

缺点：无法解决循环引用（就是A引用B，B也引用A的情况）的问题。

（2）根搜索算法（也就是GC Roots）：

通过一系列称为GC Roots的对象，向下搜索，路径为引用链，当某个对象无法向上搜索到GC Roots，也就是成为GC Roots不可达，则为无用对象。

如果一个对象是GC Roots不可达，则需要经过两次标记才会进行回收，第一次标记的时候，会判断是否需要执行finalize方法（没必要执行的情况：没实现finalize方法或者已经执行过）。如果需要执行finalize方法，则会放入一个回收队列中，对于回收队列中的对象，如果执行finalize方法之后，没法将对象重新跟GC Roots进行关联，则会进行回收。

很抽象，对吧，来一个明了的解释？

比如手机坏了（不可达对象），有钱不在乎就直接拿去回收（这就是没实现finalize方法），如果已经修过但是修不好了（已经执行过finalize方法），就直接拿去回收站回收掉。如果没修过，就会拿去维修店（回收队列）进行维修，实在维修不好了（执行了finalize方法，但是无法连上GC Roots），就会拿去回收站回收掉了。

那什么对象可以成为GC Roots呢？

1>虚拟机栈中的引用对象

2>本地方法栈中Native方法引用的对象

2>方法区静态属性引用对象

3>方法区常量引用对象

（3）对象引用分类

1>强引用：例如实例一个对象，就是即使内存不够用了，打死都不回收的那种。

2>软引用：有用非必须对象，内存够，则不进行回收，内存不够，则回收。例如A借钱给B，当A还有钱的时候，B可以先不还，A没钱了，B就必须还了。

3>弱引用：非必须对象，只能存活到下一次垃圾回收前。

4>虚引用：幽灵引用，必须跟引用队列配合使用，目的是回收前收到系统通知。

下面是java的引用类型结构图：

（1）软引用示例

内存够用的情况：

运行结果：

内存不够用的情况：

运行结果：

（2）弱引用示例结果：

无论如何都会被回收

（3）虚引用示例：

运行结果：

解释：为什么2和5的输出为null呢，如下

3为null是因为还没有进行gc，所以对象还没加入到引用队列中，在gc后就加入到了引用队列中，所以6有值。

这个虚引用在GC后会将对象放到引用队列中，所以可以在对象回收后做相应的操作，判断对象是否在引用队列中，可以进行后置通知，类似spring aop的后置通知。

二、垃圾回收发生的区域

垃圾回收主要发生在堆内存里面，而堆内存又细分为 年轻代 和 老年代 ，默认情况下年轻代和老年代比例为1：2，比如整个堆内存大小为3G，年轻代和老年代分别就是1G和2G，想要更改这个比例需要修改JVM参数-XX:NewRatio,

比如-XX:NewRatio=4，那老年代：年轻代=4：1。而年轻代又分为Eden区，S0（Survivor From）和S1（Survivor To）区，一般Eden:S0:S1=8:1:1，如果想要更改此比例，则修改JVM参数-XX:SurvivorRatio=4，此时就是Eden:S0:S1=4:1:1。

在年轻代发生GC称为Young GC，老年代发生GC成为Full GC，Young GC比Full GC频繁。

解析Young GC：

JVM启动后，第一次GC，就会把Eden区存活的对象移入S0区；第二次GC就是Eden区和S0一起GC，此时会把存活的对象移入S1区，S0清空；第三次GC就是Eden区和S1区进行GC，会把存活的对象移入S0区，如此往复循环15次（默认），就会把存活的对象存入老年区。

类似与如果有三个桶，编号分别为1（1号桶内的沙子是源源不断的，就像工地上。你们没去工地搬过砖可能不知道，但是我真的去工地上搬过啊），2，3。1里面装有沙子，需要将沙子筛为细沙。首先将桶1内的沙子筛选一遍过后的放置于桶2，第二次筛选就会将桶1和桶2里面的沙子一起筛，筛完之后放到桶3内，桶2清空。第三次筛选就会将桶1和桶3的沙子一起筛选，晒完放到桶2内，桶3清空。如此往复循环15次，桶2或桶3里面的沙子就是合格的沙子，就需要放到备用桶内以待使用。

上述中桶1就是Eden区，桶2就是S0区，桶3就是S1区。

三、垃圾回收算法

三种，分别是复制算法，标记-清除算法，标记-整理算法。

（1）复制算法。

其会将内存区域分成同样大小的两块，一块用来使用，另外一块在GC的时候存放存活的对象，然后将使用的一块清除。如此循环往复。

适用于新生代。

优点：没有内存碎片，缺点：只能使用一般的内存。

（2）标记-清除算法。

使用所有内存区域，在GC的时候会将需要回收的内存区域先进行标记，然后同意回收。

适用于老年代。

缺点：产生大量内存碎片，会直接导致大对象无法分配内存。

（3）标记-整理算法。

使用所有内存区域，在GC的时候会先将需要回收的内存区域进行标记，然后将存活对象忘一边移动，最后将清理掉边界以外的所有内存。

适用于老年代。

四、GC日志查看

利用JVM参数-XX:+PrintGCDetails就可以在GC的时候打印出GC日志。

年轻代GC日志：

老年代GC日志：

五、垃圾收集器

主要有四类收集器以及七大收集器

四类：

（1）Serial：单线程收集器，阻塞工作线程，它一工作，全部都得停下。

（2）Paralle：Serial的多线程版本，也是阻塞工作线程

（3）CMS（ConcMarkSweep）：并行垃圾收集器，可以和工作线程一起工作。

（4）G1：将堆分成大小一致的区域，然后并发的对其进行垃圾回收。

怎么查看默认的收集器呢？

用JVM参数-XX:+PrintCommandLineFlags，运行之后会输出如下参数。可以看到，jdk1.8默认是Parallel收集器。

七大收集器：

（1）Serial：串行垃圾收集器，单线程收集器。用于新生代。用JVM参数-XX:+UseSerialGC开启，开启后Young区用Serial（底层复制算法），Old区用Serial Old（Serial的老年代版本，底层是标记整理算法）。

（2）ParNew：用于新生代，并行收集器。就是Serial的多线程版本。用JVM参数-XX:+UseParNewGC，young：parnew，复制算法。Old：serialOld，标记整理算法。-XX:ParallecGCThreads限制线程回收数量，默认跟cpu数目一样。只是新生代用并行，老年代用串行。

（3）Parallel Scavenge：并行回收收集器。用JVM参数-XX:+UseParallelGC开启，young：parallel scavenge（底层是复制算法），old：parallel old（parallel的老年代版本，底层是标记整理），新生代老年代都用并行回收器。

这个收集器有两个优点：

可控的吞吐量 ：就是工作线程工作90%的时间，回收线程工作10%的时间，即是说有90%的吞吐量。

自适应调节策略 ：会动态调节参数以获取最短的停顿时间。

（4）Parallel Old：Parallel Scavenge的老年代版本，用的是标记整理算法。用JVM参数-XX:+UseParallelOldGC开启，新生代用Parallel Scavenge，老年代用Parallel Old

（5）CMS（ConcMarkSweep）：并发标记清除。 底层是标记清除算法，所以会产生内存碎片，同时也会耗cpu。 以获取最短回收停顿时间为目标。-XX:+UseConcMarkSweep，新生代用ParNew，老年代用CMS。CMS必须在堆内存用完之前进行清除，否则会失败，这时会调用SerialOld后备收集器。

初始标记和重新标记都会停止工作线程，并发标记和并发清除会跟工作线程一起工作。

（6）SerialOld：老年代串行收集器（以后Hotspot虚拟机会直接移除掉）。

（7）G1：G1垃圾收集器，算法是标记整理，不会产生内存碎片。横跨新生代老年代。实现尽量高吞吐量，满足回收停顿时间更短。

G1可以精确控制垃圾收集的停顿时间，用JVM参数-XX:MaxGCPauseMillis=n，n为停顿时间，单位为毫秒。

区域化内存划片Region，会把整个堆划分成同样大小的区域块（1MB~32MB），最多2048个内存区域块，所以能支持的最大内存为32*2048=65535MB，约为64G。

上图是收集前和收集后的对比，有些对象很大，分割之后就是连续的区域，也即是上图的Humongous。

上述理论可能有点乏味，下图很清晰明了（某度找的）。

下面来一张整个垃圾回收机制的思维导图（太大，分成两部分）。

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