GC垃圾回收机制

Posted 2020-12-09 semi-sub

前言

????我们都知道Java的垃圾回收并不需要程序员主动的去写代码回收内存，JVM会自动的帮我们去回收内存，既然JVM会自动帮我们进行内存回收，那是不是就不会出现内存不足的情况，显然不是的。即使JVM帮我们进行回收，但是还是有可能出现内存溢出。下面主要将JVM GC(垃圾回收机制)分为几个部分：对象是否是垃圾的判断算法、垃圾收集算法、垃圾收集器，JVM调优几个方面

1.垃圾判断算法

????垃圾收集器在对内存中的对象回收前，首先就是要确定内存中的对象是不是垃圾，那些对象还被引用着。判断对象是否存活的算法有：1.1 引用计数算法，1.2 可达性分析算法

????1.1引用计数算法

????????这种算法比较简单，意思就是给每个对象添加一个引用计数器，每当这个对象在其他地方引用时，这个计数器就+1；引用失效时，这个计数器就-1；当这个计数器是0时就代表着这个对象可以被回收。

????????优点：实现起来也比较简单，判断能否被回收也简单，效率快

????????缺点：无法解决对象之间循环引用的问题，假设有两个对象，对象A，对象B，对象A引用对象B，对象B也引用对象A，这就造成了这两个对象相互引用，这时计数器无法减为0，导致这两个对象都无法被回收

????1.2可达性分析算法

????????为了解决对象之间循环引用而导致无法被回收的问题，后面又出现了可达性分析算法。可达性分析算法的基本思想就是：通过被称为"GC ROOT"的对象作为搜索起始点，从这些跟节点开始向下搜索，搜索走过的路径就被称为引用链，如果有些对象没有在这些引用链上，说明这些对象是可以被回收的。算法如图：

????????从图中我们可以看出，可达性分析算法就可以解决对象之间循环依赖的问题，右边的对象因为没在GC ROOT所在的引用链上，所以JVM判定是可以被回收的。可达性分析算法也引申了另外一个问题，就是内存中的哪些对象可以被作为"GC ROOT"根节点？在Java中，可以被作为GC ROOT的对象包括以下几种：

????????????????(1) 栈帧中局部变量表引用的对象，也就是我们所new一个对象，然后将这个new出来的对象赋值给一个变量，这个变量可以被作为"GC ROOT"根节点

????????????????(2) 方法区中类静态属性引用的对象，类中声明的静态成员变量变量

????????????????(3) 方法区只常量引用的对象，用final修饰的成员变量

????无论是引用计数算法还是可达性分析算法，都牵涉到了对象的引用，而在JDK1.2以后，Java又将引用分为了4种，分别是强引用(Strong Reference)、软引用(Soft Reference)、弱引用(Weak Reference)、虚引用(Phantom Reference)

????????强引用：强引用也是我们最熟悉的，在代码中最常见的。类似"Object obj = new Object()"这类的引用，这要强引用还存在，这个对象就不会被垃圾回收给回收掉。如果我们想要该对象被回收的话，可以将obj = null，切断变量obj与对象Object之间的强引用，这时对象就可以被垃圾回收

????????软引用：软引用跟强引用有点不同，看一段软引用的使用场景：

SoftReference<Object> softName = new SoftReference<>(new Object());

????????????????JDK给我们提供SoftReference对象来使用软引用，JVM垃圾回收发现此类对象时，这要内存充足的情况下，对象Object就不会被回收掉。在内存不足的情况下，软引用引用的Object对象就会被垃圾回收掉

????????弱引用：使用弱引用的对象拥有的生命周期更加的短，来看一段弱引用的使用场景：

WeakReference<Object> weakName = new WeakReference<Object>(new Object());

????????????????JDK给我们提供了WeakReference对象来使用弱引用，弱引用跟软引用的区别就是：JVM GC时，不管内存够不够，这要发现此类弱引用对象，对象Object对象就会被回收

????????虚引用：虚引用是引用中最弱的一种关系，形同虚设。相当于没被引用一样，也就相当于代码中的obj = null，JVM GC一经发现就会被回收。看一段虚引用的场景：

ReferenceQueue<String> queue = new ReferenceQueue<String>();
PhantomReference<String> pr = new PhantomReference<String>(new String("hello"), queue);

????????????????我们可以看到虚引用是要配合引用队列使用的，如果虚引用pr引用的String("hello")对象被回收掉了，就会将虚引用pr加入到queue队列中，这时我们可以从queue队列中知道pr引用的String("hello")对象被回收掉了

2.垃圾收集算法

????前面一部分讲的是哪些对象可以被作为垃圾进行回收，确定了对象可以被回收之后，那么就要讲一下具体的垃圾收集了，这里讨论几种常见的垃圾收集算法：标记-清除算法、复制算法、标记-整理算法、分代收集算法

????2.1 标记-清除算法

????????标记-清除算法是最基础的算法，大致上可以分为两个阶段：标记、清除两个阶段。首先是标记阶段，标记出所有可以被回收的对象，标记完成后，再进行清除阶段，将所有已经标记的对象进行回收

????????从图中我们可以看到被回收之后，存在大量不连续的内存碎片，会造成一个问题就是如果后面过来一个大对象，因为没有足够大的连续内存进行分配，全是内存碎片，则就会导致分配失败。所有标记-清除算法一个缺点就是：(1)造成大量的内存碎片。还有一个缺点就是：(2) 标记和清除两个阶段的效率并不高

????2.2 复制算法

????????为了解决标记-清除算法所带来的内存碎片问题，出现了复制算法。基本思想就是将内存划分为两块大小相等的内存，每次只使用其中的一块，当一块的内存使用完成之后，就会将使用的那块内存存活的对象复制到另外一块未被使用的内存，再把使用过的内存清空，只需移动存活对象的指针

????????从图中我们可以看出右边那部分的内存完全没有被使用到，这就会造成内存空间上的浪费。还有一个问题就是如果存活的对象过多，那么就需要频繁的移动对象的指针，这样会造成效率问题。不过现在的JVM都采用复制算法来回收年轻代，因为年轻代中的对象具有"朝生夕死"的特点，也就是刚创建，说不定过一会这些对象就会马上被回收掉，所以内存大小也并不一定要按复制算法那样平等划分，而年轻代划分的eden:survivor区的比例是8:1:1，每次可以使用的内存是eden和survivor from区，这样造成的内存空间浪费的比例就只有10%了。又因为年轻代中的对象生命周期比较短，所以指针移动时，大部分的对象已经被回收，需要移动的指针也并不多。

????2.3 标记-整理算法

????????复制算法所遗留下来的问题：(1) 内存空间的浪费 (2) 存活对象比较多的话，需要频繁的移动指针，效率不高。所以复制算法并不适用于老年代。而针对老年代的特点，有人提出了另外一种算法：标记-整理算法。标记-整理算法跟标记-清除算法有点类似，也是分为两个阶段，但是后续步骤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进行移动

????????从图中我们可以看出标记-整理算法解决了标记-清除算法会产生的内存碎片的问题，但是也还是存在指针频繁移动的缺点，但是也解决了复制算法所造成的内存浪费的缺点

????2.4 分代收集算法

????????分代收集算法其实并不算是一种思想和理论，它只是融合了前面三种算法的思想，根据不同特区对象的特点而采用最适当的收集算法。前面我们讲过新生代中的对象具有"朝生夕死"的特点，所以选用复制算法，只需要让出少量的内存空间就可以完成收集。而老年代中的对象因为对象的存活率比较高，那么可以采用"标记-清理"或者"标记-整理"算法来进行回收

3.垃圾收集器

????前面讲的垃圾收集算法只是内存回收的理论，而垃圾收集器则是垃圾收集算法的具体实现，到现在一共出现了7种作用于不同分代的收集器，而不同的收集器之间可以进行组合使用

????3.1 Serial收集器

????????Serial收集器是出现最早的收集器，是单线程的垃圾收集器，在执行GC时，只会有一个线程去进行垃圾回收，用户线程被暂停，直到GC被执行完，这就造成了"Stop The World"，也就是进行GC时，用户线程必须暂停，如果这样就会影响我们的程序效率

????????我们可以看到它是一种新生代的收集算法，并且采用的是复制算法

????3.2 ParNew收集器

????????ParNew收集器跟Serial收集器区别就是：ParNew收集器会采用多线程去进行垃圾回收，这就充分可以利用CPU，ParNew收集器还有一个特点就是：除了Serial收集器外，只有ParNew收集器可以跟CMS收集器(后面会提到)一起组合使用

????????从图中我们可以看到ParNew也是一款年轻代收集器，进行垃圾回收时，还是会暂停用户线程，是多线程回收的，采用的也是复制算法

????3.3 Parallel Scavenge收集器

????????Parallel Scavenge也是一款多线程版本的垃圾收集器，也是对年轻代进行回收的，采用的也是复制算法。但是Parallel Scavenge收集器更加的关注可控制的吞吐量，所谓的吞吐量 = 运行用户代码时间 / (运行用户代码时间 + 垃圾收集时间)。

????????Parallel Scavenge收集器提供了两个参数来控制吞吐量，一个是最大垃圾收集停顿时间-XX:MaxGCPauseMillis参数，还有一个就是设置吞吐量大小的-XX:GCTimeRatio参数。

????????这时可能会觉得我们将最大垃圾收集停顿时间-XX:MaxGCPauseMillis参数设置的越小不就越好吗？答案是否定的，GC停顿时间缩短是以牺牲吞吐量和新生代空间换来的，系统会把新生代调小一点，回收300M大小的内存空间肯定要比回收500M的内存要快，因为你的内存变小的，装的对象就小的，所以会频繁的造成GC，以前每10秒才回收一次，一次回收停顿100毫秒，现在变成每5秒回收一次，一次回收停顿70毫秒，虽然停顿时间下降了，但是吞吐量也下降了

????????参数-XX:GCTimeRatio的设置垃圾收集时间占总时间的比率，相当于吞吐量的倒数，如果将此参数设置为19，那么允许的最大GC时间就占总时间的5%(即 1 / (1 + 19)) , 默认值为99，就是允许最大1%(即1 / (1 + 99))的垃圾收集时间

????????Parallel Scavenge收集器还提供一个参数-XX:+UseAdaptiveSizePolicy自适应的调节策略，如果我们设置了此参数，那么我们无须指定新生代的大小、Eden与Survivor区的比例、晋升老年代对象年龄等细节参数了，虚拟机会根据当前系统的运行情况收集性能监控信息，动态调整参数以达到最合适的停顿时间或者最大的吞吐量。如果我们使用Parallel Scavenge收集器时，我们只需关注MaxGCPauseMillis或GCTimeRatio参数，设置一个要优化到的目标，具体的优化调节细节可以交给Parallel Scavenge收集器去实现

????3.4 Serial Old收集器

????????跟Serial收集器一样，单线程的。跟Serial收集器不同的是，Serial Old收集器是作用在老年代中的，采用的是"标记-整理"算法

????3.5 Parallel Old收集器

????????Parallel Old收集器是Parallel Scavenge收集器的老年代版本，作用于老年代中，采用"标记-整理"算法。在JDK1.6之前，Parallel Scavenge收集器只能配合Serial Old收集器一起使用，由于Serial Old收集器采用单线程效率不高，所以出现了Parallel Old收集器来配合Parallel Scavenge收集器一起使用，如果比较关注吞吐量和CPU资源的情况下可以采用这种组合

????3.6 CMS收集器

????????CMS收集器关注的点是尽可能的缩短垃圾收集时用户线程停顿的时间，希望停顿时间最短，这样用户线程执行越快。CMS收集器作用于老年代，采用的是"标记-清除"算法。CMS收集器运行的整个过程分为4个阶段：

????????1. 初始标记

????????2.并发标记

????????3.重新标记

????????4.并发清除

????????在4个阶段中，只有初始标记和重新标记是需要暂停用户线程的，我们可以这样记并发标记和并发清除是并发的，所以不需要暂停用户线程。这样用户线程就没必要在整个GC阶段全部暂停，缩短了用户线程的暂停时间

????????虽然CMS收集器可以降低用户线程停顿时间，但是CMS也有几个缺点，一个是对CPU资源非常敏感，我们可以看到在并发阶段，GC线程和用户线程是一起执行的，这样就会产生一个问题，就会产生CPU资源的抢占，可能会造成线程之间交替运行，反而使效率降低。还有一个问题就是CMS收集器因为是采用"标记-清除"算法去实现的那么就会产生大量的内存空间碎片

????3.7 G1收集器

????????G1收集器是目前既能回收年轻代，又能回收老年代的收集器，无须跟其他收集器进行组合使用，针对不同的代，保留了分代收集的特点，也就是针对不同的代采用不同的收集算法。G1收集器跟CMS的"标记-清除"算法不同，G1收集器采用的是不会产生内存碎片的"标记-整理"算法。G1相对于CMS收集器还有一大特点就是可预测的停顿，G1和CMS共同的关注点都是降低用户线程停顿时间，但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毫秒的时间片段内，消耗在垃圾收集上的时间不得超过N毫秒

????????G1收集器运行的大致可以划分为4个步骤：

????????1.初始标记

????????2.并发标记

????????3.最终标记

????????4.筛选回收

????????下面来看一张各种收集器之间的组合使用的关系图：

????????我们可以看到：

????????CMS可以跟Serial、ParNew组合使用，而Serial Old是CMS在老年代的后背方案

????????Serial Old可以跟Serial、ParNew、Parallel Scavenge组合使用

????????Parallel Old只可以跟Parallel Scavenge组合使用

????????而G1收集器则不需要任何组合，自己可以完成对年轻代和老年代的回收

4.JVM调优

????JVM调优总的来说就是优化Full GC的执行时间和执行次数，让Full GC尽可能的少发生，因为发生Full GC时，会造成用户线程暂停，执行时间长。导致Full GC的出现就会老年代的空间不足，这时，可以通过下面几点来进行优化：

????1. 一般来说，当survivor区容量不够时，就会将一些对象放到老年代中，可以进行设置合理的eden区，survivor区及比例大小，可以让对象尽可能的留在年轻代，可以使用-Xmn设置年轻代的大小

????2.对于占用内存比较大的对象，一般会优先选择在老年代上分配内存，这时我们可以设置参数让一些大对象也分配在年轻代中，我们设置参数-XX:PetenureSizeThreshold=1000000，单位为B，标明对象大小如果超过这个数值时在老年代上分配内存，否则还是在年轻代上进行分配

????3.年轻对象在eden区时，每进行一次GC时，如果对象还活着，则这个对象的分代年龄就会+1，一但达到默认值15，就会被放到老年代中，这时我们可以设置参数-XX:MaxTenuringThreshold比较大的阈值，让对象尽可能的停留在年轻代被回收掉

????4.设置最小堆和最大堆：-Xmx和-Xms稳定的堆大小堆垃圾回收是有利的，我们应该将最大堆和最小堆设置成一样的，这样系统在运行时堆大小是恒定的，可以防止每次进行GC后，又得重新分配最小堆和最大堆。稳定的堆大小可以防止一个内存抖动的现象

????5.通过增大吞吐量提高系统性能，可以通过设置并行垃圾回收收集器。（1）-XX:+UseParallelGC:年轻代使用并行垃圾回收收集器。这是一个关注吞吐量的收集器，可以尽可能的减少垃圾回收时间。（2）-XX:+UseParallelOldGC:设置老年代使用并行垃圾回收收集器

????当然，JVM调优并不止这几点，我只是例举了几点常见的优化场景来讲解，JVM提供了许多的JVM参数来供我们进行设置，具体的参数设置还是要根据生产环境出现的问题进行具体的设置

总结

????前面大概讲了下判断对象是否可以被回收的算法，垃圾回收算法，具体实现垃圾回收算法垃圾收集器，例举了他们的一些不同点。最后针对JVM调优例举了一些点，可以对JVM的启动设置参数