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☕【JVM原理探索】彻底弄清楚Minor GC和Major GC及Full GC

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每日一句

每一日你所付出的代价都比前一日高,因为你的生命又消短了一天,所以每一日你都要更用心。

前提概要

对于JVM而言,最难能够掌握的就是GC回收部分的研究和探索。而对于虚拟机而言根据不同的区域以及范围和方案分为Minor GC、Major GC和Full GC等,此处暂时不描述Mixed GC,后续章节会详细做专题探究。

GC的引入

堆内存划分为Eden、Survivor(2)和Tenured/Old空间。

发生在年轻代的GC——Minor GC

image.png

其中Minor GC如下图所示

  • 虚拟机给每个对象定义一个对象年龄(Age)计数器。对象在Eden生并经过第一次Minor GC后仍然存活,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区中每熬过一次Minor GC,年龄就增加1岁,当它的年龄增加到一定程度(默认为15岁)时,就会被晋升到老年代中。

  • 对象晋升老年代的年龄阈值,可以通过参数-XX:MaxTenuringThreshold来设置

image.png

从年轻代空间(包括Eden和Survivor区域)回收内存被称为Minor GC。这一定义既清晰又易于理解,因为Java对象大多都具备朝生夕灭的特性,所以Minor GC非常频繁,一般回收速度也比较快。

  • JVM无法为一个新的对象分配空间时会触发Minor GC,比如当Eden区满了。所以分配率越高,越频繁执行Minor GC。

    • 内存池被填满的时候,其中的内容全部会被复制,指针会从0开始跟踪空闲内存。

    • Eden和Survivor区进行了标记和复制操作,取代了经典的标记、扫描、压缩、清理操作。

    • 所以Eden和Survivor区不存在内存碎片,写指针总是停留在所使用内存池的顶部。

  • 执行Minor GC操作时,不会影响到方法区从方法区到年轻代的引用被当成GCRoots,从年轻代到方法区的引用在标记阶段被直接忽略掉

  • 质疑常规的认知,所有的Minor GC都会触发 “全世界的暂停(stop-the-world)”,停止应用程序的线程。对于大部分应用程序,停顿导致的延迟都是可以忽略不计的。

    • 其中的真相就是,大部分Eden区中的对象都能被认为是垃圾,永远也不会被复制到Survivor区或者老年代空间。
  • 如果正好相反,Eden区大部分新生对象不符合GC条件,Minor GC执行时暂停的时间将会长很多。

Minor GC触发机制:

当年轻代满时就会触发Minor GC,这里的年轻代满指的是Eden代满,Survivor满不会引发GC。


发生在老年代的GC——Major GC/Full GC

  • Major GC:主要是清理老年代:MajorGC的速度一般会比Minor GC慢 10倍以上

  • Full GC:主要是清理整个堆空间—包括年轻代和老年代。

    1. 首先,许多Major GC是由Minor GC触发,所以很多情况下将这两种GC分离是不太可能的。
    2. 另一方面,许多现代垃圾收集机制会清理部分老年代空间,所以使用“cleaning”一词只是部分正确。

这使得我们不用去关心到底是叫Major GC还是Full GC,大家应该关注当前的GC是否停止了所有应用程序的线程,还是能够并发的处理而不用停掉应用程序的线程。

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(但非绝对的,ParallelScavenge收集器的收集策略里就有直接进行Major GC的策略选择过程)

Full GC触发机制:

  • (1)调用System.gc时,系统建议执行Full GC,但是不必然执行
  • (2)老年代空间不足
  • (3)方法区空间不足:当永久代/元数据空间满时也会引发Full GC,会导致Class、Method元信息的卸载。
  • (4)通过Minor GC后进入老年代的平均大小大于老年代的可用内存
  • (5)由Eden区、survivor space1(From Space)区向survivor space2(To Space)区复制时,对象大小大于To Space可用内存,则把该对象转存到老年代,且老年代的可用内存小于该对象大小

Full GC定义是相对明确的,就是针对整个新生代、老生代、元空间(metaspace,java8以上版本取代perm gen)的全局范围的GC

Minor GC和Major GC是俗称,在Hotspot JVM实现的Serial GC, Parallel GC, CMS, G1 GC中大致可以对应到某个Young GC和Old GC算法组合


第一次尝试通过 jstat 输出:

my-precious: me$ jstat -gc -t 4235 1s
复制代码
Time S0C    S1C    S0U    S1U      EC       EU        OC         OU       MC     MU    CCSC   CCSU   YGC     YGCT    FGC    FGCT     GCT   
 5.7 34048.0 34048.0  0.0   34048.0 272640.0 194699.7 1756416.0   181419.9  18304.0 17865.1 2688.0 2497.6      3    0.275   0      0.000    0.275
 6.7 34048.0 34048.0 34048.0  0.0   272640.0 247555.4 1756416.0   263447.9  18816.0 18123.3 2688.0 2523.1      4    0.359   0      0.000    0.359
 7.7 34048.0 34048.0  0.0   34048.0 272640.0 257729.3 1756416.0   345109.8  19072.0 18396.6 2688.0 2550.3      5    0.451   0      0.000    0.451
 8.7 34048.0 34048.0 34048.0 34048.0 272640.0 272640.0 1756416.0  444982.5  19456.0 18681.3 2816.0 2575.8      7    0.550   0      0.000    0.550
 9.7 34048.0 34048.0 34046.7  0.0   272640.0 16777.0  1756416.0   587906.3  20096.0 19235.1 2944.0 2631.8      8    0.720   0      0.000    0.720
10.7 34048.0 34048.0  0.0   34046.2 272640.0 80171.6  1756416.0   664913.4  20352.0 19495.9 2944.0 2657.4      9    0.810   0      0.000    0.810
11.7 34048.0 34048.0 34048.0  0.0   272640.0 129480.8 1756416.0   745100.2  20608.0 19704.5 2944.0 2678.4     10    0.896   0      0.000    0.896
12.7 34048.0 34048.0  0.0   34046.6 272640.0 164070.7 1756416.0   822073.7  20992.0 19937.1 3072.0 2702.8     11    0.978   0      0.000    0.978
13.7 34048.0 34048.0 34048.0  0.0   272640.0 211949.9 1756416.0   897364.4  21248.0 20179.6 3072.0 2728.1     12    1.087   1      0.004    1.091
14.7 34048.0 34048.0  0.0   34047.1 272640.0 245801.5 1756416.0   597362.6  21504.0 20390.6 3072.0 2750.3     13    1.183   2      0.050    1.233
15.7 34048.0 34048.0  0.0   34048.0 272640.0 21474.1  1756416.0   757347.0  22012.0 20792.0 3200.0 2791.0     15    1.336   2      0.050    1.386
16.7 34048.0 34048.0 34047.0  0.0   272640.0 48378.0  1756416.0   838594.4  22268.0 21003.5 3200.0 2813.2     16    1.433   2      0.050    1.484

复制代码

这个片段是 JVM 启动后第17秒提取的。基于该信息,我们可以得出这样的结果,运行了12次 Minor GC、2次 Full GC,时间总跨度为50毫秒。

java -XX:+PrintGCDetails -XX:+UseConcMarkSweepGC eu.plumbr.demo.GarbageProducer

3.157: [GC (Allocation Failure) 3.157: [ParNew: 272640K->34048K(306688K), 0.0844702 secs] 272640K->69574K(2063104K), 0.0845560 secs] [Times: user=0.23 sys=0.03, real=0.09 secs] 
4.092: [GC (Allocation Failure) 4.092: [ParNew: 306688K->34048K(306688K), 0.1013723 secs] 342214K->136584K(2063104K), 0.1014307 secs] [Times: user=0.25 sys=0.05, real=0.10 secs] 
... cut for brevity ...
11.292: [GC (Allocation Failure) 11.292: [ParNew: 306686K->34048K(306688K), 0.0857219 secs] 971599K->779148K(2063104K), 0.0857875 secs] [Times: user=0.26 sys=0.04, real=0.09 secs] 
12.140: [GC (Allocation Failure) 12.140: [ParNew: 306688K->34046K(306688K), 0.0821774 secs] 1051788K->856120K(2063104K), 0.0822400 secs] [Times: user=0.25 sys=0.03, real=0.08 secs] 
12.989: [GC (Allocation Failure) 12.989: [ParNew: 306686K->34048K(306688K), 0.1086667 secs] 1128760K->931412K(2063104K), 0.1087416 secs] [Times: user=0.24 sys=0.04, real=0.11 secs] 
13.098: [GC (CMS Initial Mark) [1 CMS-initial-mark: 897364K(1756416K)] 936667K(2063104K), 0.0041705 secs] [Times: user=0.02 sys=0.00, real=0.00 secs] 
13.102: [CMS-concurrent-mark-start]
13.341: [CMS-concurrent-mark: 0.238/0.238 secs] [Times: user=0.36 sys=0.01, real=0.24 secs] 
13.341: [CMS-concurrent-preclean-start]
13.350: [CMS-concurrent-preclean: 0.009/0.009 secs] [Times: user=0.03 sys=0.00, real=0.01 secs] 
13.350: [CMS-concurrent-abortable-preclean-start]
13.878: [GC (Allocation Failure) 13.878: [ParNew: 306688K->34047K(306688K), 0.0960456 secs] 1204052K->1010638K(2063104K), 0.0961542 secs] [Times: user=0.29 sys=0.04, real=0.09 secs] 
14.366: [CMS-concurrent-abortable-preclean: 0.917/1.016 secs] [Times: user=2.22 sys=0.07, real=1.01 secs] 
14.366: [GC (CMS Final Remark) [YG occupancy: 182593 K (306688 K)]14.366: [Rescan (parallel) , 0.0291598 secs]14.395: [weak refs processing, 0.0000232 secs]14.395: [class unloading, 0.0117661 secs]14.407: [scrub symbol table, 0.0015323 secs]14.409: [scrub string table, 0.0003221 secs][1 CMS-remark: 976591K(1756416K)] 1159184K(2063104K), 0.0462010 secs] [Times: user=0.14 sys=0.00, real=0.05 secs] 
14.412: [CMS-concurrent-sweep-start]
14.633: [CMS-concurrent-sweep: 0.221/0.221 secs] [Times: user=0.37 sys=0.00, real=0.22 secs] 
14.633: [CMS-concurrent-reset-start]
14.636: [CMS-concurrent-reset: 0.002/0.002 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
复制代码

在点头同意这个结论之前,让我们看看来自同一个 JVM 启动收集的垃圾收集日志的输出。显然- XX : + PrintGCDetails 告诉我们一个不同且更详细的故事:

基于这些信息,我们可以看到12次 Minor GC 后开始有些和上面不一样了。没有运行两次Full GC,这不同的地方在于单个GC在永久代中不同阶段运行了两次:

最初的标记阶段,用了0.0041705秒也就是4ms左右。这个阶段会暂停“全世界( stop-the-world)”的事件,停止所有应用程序的线程,然后开始标记。

并行执行标记和清洗阶段。这些都是和应用程序线程并行的。 最后 Remark 阶段,花费了0.0462010秒约46ms。这个阶段会再次暂停所有的事件。 并行执行清理操作。正如其名,此阶段也是并行的,不会停止其他线程。

所以,正如我们从垃圾回收日志中所看到的那样,实际上只是执行了 Major GC 去清理老年代空间而已,而不是执行了两次 Full GC。

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