Java垃圾回收机制

JVM内存分配与回收

对象优先在Eden区分配

大多数情况下，对象在新生代中 Eden 区分配。当 Eden 区没有足够空间进行分配时，虚拟机将发起一次Minor GC。新生代GC（Minor GC）: 指发生新生代的的垃圾收集动作，Minor GC非常频繁，回收速度一般也比较快。老年代GC（Major GC/Full GC）: 指发生在老年代的GC，出现了Major GC经常会伴随至少一次的Minor GC（并非绝对），Major GC的速度一般会比Minor GC的慢10倍以上。

对于 Minor GC，其触发条件非常简单，当 Eden 空间满时，就将触发一次 Minor GC。而 Full GC 则相对复杂，有以下条件：

调用 System.gc()；只是建议虚拟机执行 Full GC，但是虚拟机不一定真正去执行。不建议使用这种方式，而是让虚拟机管理内存。

老年代空间不足；老年代空间不足的常见场景有大对象直接进入老年代、长期存活的对象进入老年代等。

使用复制算法的 Minor GC 需要老年代的内存空间作担保，如果担保失败会执行一次 Full GC。

大对象直接进入老年代

大对象就是需要大量连续内存空间的对象（比如：字符串、数组）；经常出现大对象会提前触发垃圾收集以获取足够的连续空间分配给大对象，避免在 Eden 和 Survivor 之间的大量内存复制。

长期存活的对象进入老年代

既然虚拟机采用了分代收集的思想来管理内存，那么内存回收时就必须能识别那些对象应放在新生代，那些对象应放在老年代中。为了做到这一点，虚拟机给每个对象一个对象年龄（Age）计数器。

如果对象在 Eden 出生并经过第一次 Minor GC 后仍然能够存活，并且能被 Survivor 容纳的话，将被移动到 Survivor 空间中，并将对象年龄设为1。对象在 Survivor 中每熬过一次 MinorGC,年龄就增加1岁，当它的年龄增加到一定程度（默认为15岁），就会被晋升到老年代中。对象晋升到老年代的年龄阈值，可以通过参数 -XX:MaxTenuringThreshold 来设置。

空间分配担保

在发生 Minor GC 之前，虚拟机先检查老年代最大可用的连续空间是否大于新生代所有对象总空间，如果条件成立的话，那么 Minor GC 可以确认是安全的。如果不成立的话虚拟机会查看 HandlePromotionFailure 的值是否允许担保失败，如果允许那么就会继续检查老年代最大可用的连续空间是否大于历次晋升到老年代对象的平均大小，如果大于，将尝试着进行一次 Minor GC；如果小于，或者 HandlePromotionFailure 的值不允许冒险，那么就要进行一次 Full GC。

如何判断对象可以被回收

引用计数法

给对象中添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它，计数器就加1；当引用失效，计数器就减1；任何时候计数器为0的对象就是不可能再被使用的。这个方法实现简单，效率高，但是目前主流的虚拟机中并没有选择这个算法来管理内存，其最主要的原因是它很难解决对象之间相互循环引用的问题。

可达性分析算法

这个算法的基本思想就是通过一系列的称为 “GC Roots” 的对象作为起点，从这些节点开始向下搜索，节点所走过的路径称为引用链，当一个对象到 GC Roots 没有任何引用链相连的话，则证明此对象是不可用的。

GC Roots根节点：类加载器、Thread、虚拟机栈的本地变量表、static成员、常量引用、本地方法栈的变量等等

finalize()方法最终判定对象是否存活

即使在可达性分析算法中不可达的对象，也并非是“非死不可”的，这时候它们暂时处于“缓刑”阶段，要真正宣告一个对象死亡，至少要经历再次标记过程。标记的前提是对象在进行可达性分析后发现没有与GC Roots相连接的引用链。

第一次标记并进行一次筛选

筛选的条件是此对象是否有必要执行finalize()方法。当对象没有覆盖finalize方法，或者finzlize方法已经被虚拟机调用过，虚拟机将这两种情况都视为“没有必要执行”，对象被回收。

第二次标记

如果这个对象被判定为有必要执行 finalize() 方法，那么这个对象将会被放置在一个名为：F-Queue的队列之中，并在稍后由一条虚拟机自动建立的、低优先级的Finalizer线程去执行。这里所谓的“执行”是指虚拟机会触发这个方法，但并不承诺会等待它运行结束。这样做的原因是，如果一个对象 finalize() 方法中执行缓慢，或者发生死循环（更极端的情况），将很可能会导致F-Queue队列中的其他对象永久处于等待状态，甚至导致整个内存回收系统崩溃。finalize() 方法是对象脱逃死亡命运的最后一次机会，稍后GC将对F-Queue中的对象进行第二次小规模标记，如果对象要在 finalize() 中成功拯救自己----只要重新与引用链上的任何的一个对象建立关联即可，譬如把自己赋值给某个类变量或对象的成员变量，那在第二次标记时它将移除出“即将回收”的集合。如果对象这时候还没逃脱，那基本上它就真的被回收了。

如何判断一个常量是废弃常量

假如在常量池中存在字符串 "abc"，如果当前没有任何String对象引用该字符串常量的话，就说明常量 "abc" 就是废弃常量，如果这时发生内存回收的话而且有必要的话，"abc" 就会被系统清理出常量池。

如何判断一个类是无用的类

该类所有的实例都已经被回收，也就是 Java 堆中不存在该类的任何实例。
加载该类的 ClassLoader 已经被回收。
该类对应的 java.lang.Class 对象没有在任何地方被引用，无法在任何地方通过反射访问该类的方法。

虚拟机可以对满足上述3个条件的无用类进行回收，这里说的仅仅是“可以”，而并不是和对象一样不使用了就会必然被回收。

垃圾收集算法

标记-清除算法

算法分为“标记”和“清除”阶段：首先标记出所有需要回收的对象，在标记完成后统一回收所有被标记的对象。它是最基础的收集算法，效率也很高，但是会带来两个明显的问题：效率问题；空间问题（标记清除后会产生大量不连续的碎片）

复制算法

为了解决效率问题，“复制”收集算法出现了。它可以将内存分为大小相同的两块，每次使用其中的一块。当这一块的内存使用完后，就将还存活的对象复制到另一块去，然后再把使用的空间一次清理掉。这样就使每次的内存回收都是对内存区间的一半进行回收。

标记-整理算法

根据老年代的特点特出的一种标记算法，标记过程仍然与“标记-清除”算法一样，但后续步骤不是直接对可回收对象回收，而是让所有存活的对象向一段移动，然后直接清理掉端边界以外的内存。

分代收集算法

当前虚拟机的垃圾收集都采用分代收集算法，这种算法没有什么新的思想，只是根据对象存活周期的不同将内存分为几块。一般将java堆分为新生代和老年代，这样我们就可以根据各个年代的特点选择合适的垃圾收集算法。

比如在新生代中，每次收集都会有大量对象死去，所以可以选择复制算法，只需要付出少量对象的复制成本就可以完成每次垃圾收集。而老年代的对象存活几率是比较高的，而且没有额外的空间对它进行分配担保，所以我们必须选择“标记-清除”或“标记-整理”算法进行垃圾收集。

垃圾收集器

Serial 收集器

Serial（串行）收集器收集器是最基本、历史最悠久的垃圾收集器了。大家看名字就知道这个收集器是一个单线程收集器了。它的 “单线程” 的意义不仅仅意味着它只会使用一条垃圾收集线程去完成垃圾收集工作，更重要的是它在进行垃圾收集工作的时候必须暂停其他所有的工作线程（ "Stop The World" ），直到它收集结束。

新生代采用复制算法，老年代采用标记-整理算法。

虚拟机的设计者们当然知道Stop The World带来的不良用户体验，所以在后续的垃圾收集器设计中停顿时间在不断缩短（仍然还有停顿，寻找最优秀的垃圾收集器的过程仍然在继续）。但是Serial收集器有没有优于其他垃圾收集器的地方呢？当然有，它简单而高效（与其他收集器的单线程相比）。Serial收集器由于没有线程交互的开销，自然可以获得很高的单线程收集效率。

ParNew 收集器

ParNew收集器其实就是Serial收集器的多线程版本，除了使用多线程进行垃圾收集外，其余行为（控制参数、收集算法、回收策略等等）和Serial收集器完全一样。

新生代采用复制算法，老年代采用标记-整理算法。

Parallel Scavenge 收集器

Parallel Scavenge 收集器类似于ParNew 收集器，是Server 模式（内存大于2G，2个cpu）下的默认收集器，那么它有什么特别之处呢？其它收集器目标是尽可能缩短垃圾收集时用户线程的停顿时间，而它的目标是达到一个可控制的吞吐量，因此它被称为“吞吐量优先”收集器。这里的吞吐量指 CPU 用于运行用户程序的时间占总时间的比值。Parallel Scavenge 收集器关注点是吞吐量（高效率的利用CPU）。CMS等垃圾收集器的关注点更多的是用户线程的停顿时间（提高用户体验）。Parallel Scavenge收集器提供了很多参数供用户找到最合适的停顿时间或最大吞吐量，如果对于收集器运作不太了解的话，可以选择把内存管理优化交给虚拟机去完成也是一个不错的选择。

新生代采用复制算法，老年代采用标记-整理算法。

CMS收集器(-XX:+UseConcMarkSweepGC(主要是old区使用))

CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器。这是因为CMS收集器工作时，GC工作线程与用户线程可以并发执行，以此来达到降低收集停顿时间的目的。

初始标记：仅仅只是标记一下 GC Roots 能直接关联到的对象，速度很快，需要停顿。
并发标记：进行 GC Roots Tracing 的过程，它在整个回收过程中耗时最长，不需要停顿。
重新标记：为了修正并发标记期间因用户程序继续运作而导致标记产生变动的那一部分对象的标记记录，需要停顿。
并发清除：不需要停顿。

它有下面三个明显的缺点：

吞吐量低：低停顿时间是以牺牲吞吐量为代价的，导致 CPU 利用率不够高。
无法处理浮动垃圾，可能出现 Concurrent Mode Failure。浮动垃圾是指并发清除阶段由于用户线程继续运行而产生的垃圾，这部分垃圾只能到下一次 GC 时才能进行回收。由于浮动垃圾的存在，因此需要预留出一部分内存，意味着 CMS 收集不能像其它收集器那样等待老年代快满的时候再回收。如果预留的内存不够存放浮动垃圾，就会出现 Concurrent Mode Failure，这时虚拟机将临时启用 Serial Old 来替代 CMS。
标记 - 清除算法导致的空间碎片，往往出现老年代空间剩余，但无法找到足够大连续空间来分配当前对象，不得不提前触发一次 Full GC。

G1收集器(-XX:+UseG1GC)

G1收集器将整个Java堆划分为多个大小相等的独立区域（Region），虽然还保留有新生代和老年代的概念，但新生代和老年代不再是物理隔离的了，它们都是一部分Region（不需要连续）的集合。G1收集器之所以能建立可预测的停顿时间模型，是因为它可以有计划地避免在整个 Java 堆中进行全区域的垃圾收集。G1会通过一个合理的计算模型，计算出每个Region的收集成本并量化，这样一来，收集器在给定了“停顿”时间限制的情况下，总是能选择一组恰当的Regions作为收集目标，让其收集开销满足这个限制条件，以此达到实时收集的目的。

G1具备如下特点：

并行与并发：G1能充分利用多CPU、多核环境下的硬件优势，使用多个CPU来缩短Stop-the-world停顿的时间，部分其他收集器原来需要停顿 Java 线程执行的GC操作，G1收集器仍然可以通过并发的方式让Java程序继续运行。
分代收集
空间整合：与CMS的标记-清除算法不同，G1从整体来看是基于标记-整理算法实现的收集器，从局部（两个Region之间）上来看是基于“复制”算法实现的。但无论如何，这两种算法都意味着G1运作期间不会产生内存空间碎片，收集后能提供规整的可用内存。这种特性有利于程序长时间运行，分配大对象时不会因为无法找到连续内存空间而提前触发下一次GC。
可预测的停顿：这是G1相对于CMS的一个优势，降低停顿时间是G1和CMS共同的关注点。

G1收集的运作过程大致如下：

初始标记（Initial Marking）：仅仅只是标记一下GC Roots能直接关联到的对象，并且修改TAMS（Next Top at Mark Start）的值，让下一阶段用户程序并发运行时，能在正确可用的Region中创建新对象，这阶段需要停顿线程，但耗时很短。
并发标记（Concurrent Marking）：是从GC Roots开始堆中对象进行可达性分析，找出存活的对象，这阶段耗时较长，但可与用户程序并发执行。
最终标记（Final Marking）：是为了修正并发标记期间因用户程序继续运作而导致标记产生变动的那一部分标记记录，虚拟机将这段时间对象变化记录在线程Remembered Set Logs里面，最终标记阶段需要把Remembered Set Logs的数据合并到Remembered Set中，这阶段需要停顿线程，但是可并行执行。
筛选回收（Live Data Counting and Evacuation）：首先对各个Region的回收价值和成本进行排序，根据用户所期望的GC停顿时间来制定回收计划。这个阶段也可以做到与用户程序一起并发执行，但是因为只回收一部分Region，时间是用户可控制的，而且停顿用户线程将大幅提高收集效率。

JVM 调优

JVM调优主要就是调整下面两个指标

停顿时间: 垃圾收集器做垃圾回收中断应用执行的时间 (-XX:MaxGCPauseMillis)
吞吐量：花在垃圾收集的时间和花在应用时间的占比 (-XX:GCTimeRatio=,垃圾收集时间占比：1/(1+n))

GC调优步骤

1. 打印GC日志

-XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCTimeStamps -XX:+PrintGCDateStamps -Xloggc:./gc.log

2. 分析日志得到关键性指标

GC日志分析工具

3. 分析GC原因，调优JVM参数

堆栈设置
  -Xss: 每个线程的栈大小
  -Xms: 初始堆大小，默认物理内存的1/64
  -Xmx: 最大堆大小，默认物理内存的1/4
  -Xmn: 新生代大小
  -XX:NewSize: 设置新生代初始大小
  -XX:NewRatio: 默认2表示新生代占年老代的1/2，占整个堆内存的1/3。
  -XX:SurvivorRatio: 默认8表示一个survivor区占用1/8的Eden内存，即1/10的新生代内存。
  -XX:MetaspaceSize: 设置元空间大小
  -XX:MaxMetaspaceSize: 设置元空间最大允许大小，默认不受限制，JVM Metaspace会进行动态扩展。

垃圾回收统计信息
  -XX:+PrintGC
  -XX:+PrintGCDetails
  -XX:+PrintGCTimeStamps 
  -Xloggc:filename

收集器设置
  -XX:+UseSerialGC: 设置串行收集器
  -XX:+UseParallelGC: 设置并行收集器
  -XX:+UseParallelOldGC: 老年代使用并行回收收集器
  -XX:+UseParNewGC: 在新生代使用并行收集器
  -XX:+UseParalledlOldGC: 设置并行老年代收集器
  -XX:+UseConcMarkSweepGC: 设置CMS并发收集器
  -XX:+UseG1GC: 设置G1收集器
  -XX:ParallelGCThreads: 设置用于垃圾回收的线程数

并行收集器设置
  -XX:ParallelGCThreads: 设置并行收集器收集时使用的CPU数。并行收集线程数。
  -XX:MaxGCPauseMillis: 设置并行收集最大暂停时间
  -XX:GCTimeRatio: 设置垃圾回收时间占程序运行时间的百分比。公式为1/(1+n)

CMS收集器设置
  -XX:+UseConcMarkSweepGC: 设置CMS并发收集器
  -XX:+CMSIncrementalMode: 设置为增量模式。适用于单CPU情况。
  -XX:ParallelGCThreads: 设置并发收集器新生代收集方式为并行收集时，使用的CPU数。并行收集线程数。
  -XX:CMSFullGCsBeforeCompaction: 设定进行多少次CMS垃圾回收后，进行一次内存压缩
  -XX:+CMSClassUnloadingEnabled: 允许对类元数据进行回收
  -XX:UseCMSInitiatingOccupancyOnly: 表示只在到达阀值的时候，才进行CMS回收
  -XX:+CMSIncrementalMode: 设置为增量模式。适用于单CPU情况
  -XX:ParallelCMSThreads: 设定CMS的线程数量
  -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction: 设置CMS收集器在老年代空间被使用多少后触发
  -XX:+UseCMSCompactAtFullCollection: 设置CMS收集器在完成垃圾收集后是否要进行一次内存碎片的整理    
G1收集器设置 
  -XX:+UseG1GC: 使用G1收集器
  -XX:ParallelGCThreads: 指定GC工作的线程数量
  -XX:G1HeapRegionSize: 指定分区大小(1MB~32MB，且必须是2的幂)，默认将整堆划分为2048个分区
  -XX:GCTimeRatio: 吞吐量大小，0-100的整数(默认9)，值为n则系统将花费不超过1/(1+n)的时间用于垃圾收集
  -XX:MaxGCPauseMillis: 目标暂停时间(默认200ms)
  -XX:G1NewSizePercent: 新生代内存初始空间(默认整堆5%)
  -XX:G1MaxNewSizePercent: 新生代内存最大空间
  -XX:TargetSurvivorRatio: Survivor填充容量(默认50%)
  -XX:MaxTenuringThreshold: 最大任期阈值(默认15)
  -XX:InitiatingHeapOccupancyPercen: 老年代占用空间超过整堆比IHOP阈值(默认45%),超过则执行混合收集
  -XX:G1HeapWastePercent: 堆废物百分比(默认5%)
  -XX:G1MixedGCCountTarget: 参数混合周期的最大总次数(默认8)