JVM系列之垃圾回收机制（Garbage Collect）

JVM系列之垃圾回收机制（Garbage Collect）

1、前言介绍

在前面章节的学习中，我们知道了java虚拟机的运行时数据区和类加载机制，了解了在堆内存中是有垃圾回收的，比如young区的Minor GC，Old区的Major GC，young区和old区的full GC。

对于一个内存中的对象，怎么确定它需要回收的？怎么样对它进行回收？

2、如何确定一个对象需要回收？

2.1、引用计数法

对于引用计数法而言，只要应用程序中持有对该对象的引用，则这个对象不需要回收，如果这个对象没有任何指针对其引用，则这个对象需要回收。

弊端：如果对象A和B之间相互持有引用，会导致永远不会被回收

写个例子进行验证：

public class TestGc { static class A{ public B b; } static class B { public A a; } public static void testGc() { A a = new A(); B b = new B(); a.b = b; b.a = a; a = null; b = null; // 强制进行gc回收 System.gc(); } public static void main(String[] args) { testGc(); }
}


  

 

  
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添加java虚拟机参数-XX:+PrintGC，在控制台打印出gc日志

从日志可以看出，在jdk8里还是有进行回收的，说明jdk8默认的回收机制不是基于“引用计数法”的

[GC (System.gc())  4301K->1033K(117760K), 0.0024682 secs]
[Full GC (System.gc())  1033K->990K(117760K), 0.0170595 secs]

  

 

  
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2.2、可达性分析

通过GC Root的对象，开始向下寻找，看某个对象是否可达，能查找到就是可达

在Java技术体系里面，固定可作为GC Roots的对象有：

• 虚拟机栈引用的对象
• 方法区中类静态属性引用的对象
• 方法区中常量引用的对象
• 本地方法栈中JNI（Native方法）引用的对象
• ·所有被同步锁（synchronized）持有的对象
• 类加载器、Thread、基本数据类型对应的Class对象、常驻的异常对象
• 等等

3、什么时候会垃圾回收？

• （1）、当Eden区或者S区不够用时
• （2）、old区空间不够用时
• （3）、方法区空间不够用时
• （4）、System.gc() 手动回收（通知回收，什么时候回收由jvm决定，生产环境不建议使用，因为gc消耗的资源比较大）

4、 垃圾收集算法

4.1、标记-清除（Mark-Sweep）

• 标记Mark
  找出内存中需要回收的对象，并且将它们标记出来
  引用官网图片：
  

• 清除（Sweep）
  清除掉被标记需要回收的对象，释放出对应的内存空间
  

4.2、标记-复制(Mark-Copying)

将不需要回收的对象，如图Referenced对象复制到S0，然后清理Eden，当然Young区的垃圾回收，还有没那么简单，这里不详细描述（为什么要两个S区的原因可以找上一章学习）

4.3、标记-整理(Mark-Compact)

同样需要标记的过程：

让所有Referenced对象都向一端移动，清理掉边界意外的内存。

5、 分代垃圾收集过程

在前面的学习中，我们知道了堆是jvm一个很重要的部分，堆可以分为young区（“新生代”）和old区（“老年代”），young区再细分为Eden区、S0区（From区）、S1区（To区），然后对象是怎么进行分代分配收集的，然后按照官网描述走一遍流程，图来自官网

• 1、任何新对象最开始都被分配到 eden 空间。两个幸存者空间一开始都是空的，图来自官网
  

• 2、伊甸园空间填满时，会触发一个次要的垃圾收集
  

• 3、引用的对象会被移到S0区，然后清理Eden区，未引用的对象被清理

• 4、在下一次的小GC中，Eden区引用的对象同样会移到幸存区，不过这次不是S0（From）区，而是S1（To）区。同时原来S0（From）区中的引用对象达到一个阈值后，也会被移到S1区，当所有符合条件的引用对象都被移到S1时，就会触发GC，清理Eden区、S0区的对象

• 5、在接下来的下一个次要(minor )GC，会重复同样的过程。不过这一次，幸存区被换了，这次换成S0区，Eden区引用的对象和S1中的引用对象被移到S0区，然后清理Eden区和S1区
  

• 6、前面就是young区的minor GC大概过程，当对象达到一定的年龄阈值（本例中为8）时，它们会从“年轻代“提升到“老年代“。

• 7、 随着次要 GC 的继续发生，对象将继续被提升到老年代空间
  

• 8、如果old区空间满了，将在old区执行一次major GC，清理并压缩该空间
  

6、 垃圾收集器

6.1、垃圾收集器详细介绍

垃圾收集算法是方法论，垃圾收集器就是内存回收的具体实现，按照并行多线程、作用 范围（作用于“新生代”还是“老年代”），可以细分为各类的垃圾收集器

• young Generation Collection：

  • Serial
    Serial收集器是最基本，发展历史最早的收集器，在jdk1.3.1之前是java虚拟机唯一的选择，它是一种单线程的收集器，采用复制算法。
  • ParNew
    ParNew是一种多线程版本的收集器，也是采用复制算法的收集器，可以理解为Serial的多线程版本。
  • Parallel Scavenge
    Parallel Scavenge 也是一种复制类型的收集器，支持多线程并发，看起来和ParNew有点像，不过Parallel Scanvenge更关注系统的吞吐量。

• Old Generation Collection

  • Serial Old
    Serial Old收集器是Serial收集器的老年代版本，也是一个单线程收集器，采用的收集算法是“标记-整理”，“mark-sweep-compact”，运行过程和Serial一样
  • CMS
    Concurrent Mark Sweep(CMS)，是一种以获取 最短回收停顿时间 为目标的收集器，采用的是标记-清除算法，官方文档

  整个过程分为4：

  • (1)、初始标记（CMS initial mark）：标记GC roots直接关联对象，不需要Tracing，速度是很快的
  • (2)、并发标记（CMS concurrent mark）：这个过程会进行GC Roots tracing
  • (3)、重新标记（CMS remark）：重新标记并发标记中因用户程序改变的内容
  • (4)、并发清楚（CMS concurrent sweep）：这个过程会清理不可达的对象，回收内存空间（不过这个过程会产生新垃圾，留着下次清理，这个被称之为浮动垃圾）
    注意：总体上来说，CMS收集器的内存回收过程是与用户线程一起并发地执行的，因为整体过程，并发标记和并发清除，收集器线程可以与用户线程一起工作
    

  • Parallel Old
    Parallel Old收集器是Parallel Scavenge收集器的老年代版本，支持多线程，使用“标记-整理算法”进行垃圾回收，也是更加关注系统的吞吐量

• G1
  Garbage-First (G1) 收集器是一种服务器式垃圾收集器，适用于具有大内存的多处理器机器。

G1收集器，Java堆的内存布局和其它收集器有很大差别，它将整个java堆划分为多个大小相等的独立区域（Region），虽然还保留着“新生代”和“老年代”的概念，不过“新生代”和“老年代”不再是以前的设计模型，而是很大Region区域的集合。所谓Garbage-Frist，其实就是优先回收垃圾最多的Region区域。

引用官网的图例：

每个Region大小都是一样的，可以是1M到32M之间的数值，但是必须保证是2的n次幂，如果对象太大，一个Region放不下，超过了Region大小的50%，就会直接放到H中

注意：设置Region大小：-XX:G1HeapRegionSize=M

G1收集器收集过程：

• 初始标记（Initial Marking） 标记以下GC Roots能够关联的对象，并且修改TAMS的值，需要暂停用户线程
• 并发标记（Concurrent Marking） 从GC Roots进行可达性分析，找出存活的对象，与用户线程并发执行
• 最终标记（Final Marking） 修正在并发标记阶段因为用户程序的并发执行导致变动的数据，需暂停用户线程
• 筛选回收（Live Data Counting and Evacuation） 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停顿时间制定回收计划

• ZGC
  The Z Garbage Collector (ZGC)是一种可扩展的低延迟垃圾收集器。是自从JDk11才有的，不管是物理上还是逻辑上，ZGC中已经不存在新老年代的概念了。它的数据结构会分为一个个page，当进行GC操作时会对page进行压缩，因此没有碎片问题。只能在64位的linux上使用，目前用得还是比较少的

注意：开启命令，XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseZGC。

6.2、垃圾收集器分类

比较详细地学习了各类垃圾收集器之后，需要进行归类总结一下知识点，按照垃圾收集器的作用范围，作用于“新生代”还是“老年代”可以分为如图所示：

引用官网webfolder PDF的图片：

只作用于“新生代”的有Serial、ParNew、ParalleScavenge；只作用于“老年代”的有Serial Old、CMS、Parallel Old；同时可以作用于“新生代”和“老年代”的有G1

按照是否支持并发的，可以分为串行收集器和并行收集器

• 串行收集器
  Serial和Serial Old，只有一个垃圾回收线程执行，执行期间用户线程暂停，适用于内存比较小的嵌入式设备

• 并行收集器[吞吐量优先]
  Parallel Scanvenge、Parallel old，多个线程执行，此时用户线程仍然处于等待状态。

• 并行收集器[停顿时间优先]
  CMS、G1，用户线程和垃圾收集线程同时执行，但并不一定是并行的，可能是交替执行的，垃圾收集线程在执行的时候不会停顿用户线程的运行

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