JVM垃圾回收

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如何判断对象是否死亡/如何判断对象可以被回收

  • 引用计数法
    • 引用计数法就是当一个对象被引用一次, 计数就+1, 再被其他对象引用一次, 计数就为2. 如果一个对象计数为1, 那么它就可以被回收了.
    • 引用计数法存在的问题是, 当出现循环引用, a引用b, b引用a. 那么他们的引用计数都等于1, 则永远无法被回收. 但其实这时他们已经不被需要应该被回收.
  • 可达性分析
    • 从GC Roots开始向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链. GC Root直接或者间接引用的对象就是不可被回收的. 而根对象没有直接或间接引用的对象就是要被回收的对象.

常用的垃圾收集算法，以及特点

GC最基础的算法有三种： 标记 -清除算法、复制算法、标记-压缩算法，我们常用的垃圾回收器一般都采用分代收集算法。

  • 标记 -清除算法

    • 算法分为“标记”和“清除”两个阶段：首先标记出所有需要回收的对象，在标记完成后统一回收掉所有被标记的对象。
    • 缺点是会产生内存碎片, 需要维护一个空闲列表来进行分配.

  • 标记整理算法/标记压缩算法

    • 算法分为“标记”和“整理”两个阶段：首先标记出所有需要回收的对象，在标记完成后让所有存活的对象都向一端移动，然后直接清理掉另一端的内存. 标记整理算法适用于存活对象多, 垃圾较少的情况.
    • 优点是不会产生内存碎片, 消除了复制算法中内存减半的缺点
    • 缺点是效率不如复制算法, 需要STW

  • 复制算法

    • 复制算法的高效性是建立在存活对象少、垃圾对象多的前提下的。这种情况在新生代经常发生，但是在老年代，更常见的情况是大部分对象都是存活对象。如果依然使用复制算法由于存活对象较多，复制的成本也将很高。因此，基于老年代垃圾回收的特性，更适合标记整理算法.
    • 执行过程
      • 将原有的内存空间一分为二，每次只用其中的一块
      • 在垃圾回收时，将正在使用的对象复制到另外一个内存空间中，然后将该内存空间清空，交换两个内存的角色，完成垃圾回收。
    • 优点
      • 没有标记和清除过程，实现简单，运行高效。
      • 复制过去以后保证空间的连续性，不会出现“碎片” 问题。
    • 缺点
      • 需要两倍的内存空间, 或者需要将原本的内存一分为二。
      • 复制而不是移动，意味着 GC 需要维护对象引用关系，不管是内存占用或者时间开销也不小。

  • 分代收集算法

    • 将堆内存分为新生代和老年代.
    • 所有新生成的对象首先都是放在新生代的, 新生代的目标就是尽可能快速的收集掉那些生命周期短的对象。新生代代分三个区。一个Eden区(伊甸园)，两个Survivor区(from和to)
      • 首先, 大部分对象都会在Eden区生成
      • 当Eden区空间不足时, 就会触发一次minorGC, 此时会采用复制算法, 将存活的对象从Eden区复制到to区, 存活对象的寿命+1, 清除Eden区的垃圾. 然后将from区和to区交换, from区就保留了存活的对象.
      • 此时, 新的对象又在Eden区生成. 当Eden区空间不足时, 又会触发MinorGC, 此时会采用复制算法, 将Eden区和from区的存活对象复制到to区, 且寿命+1. 清除Eden区的垃圾, 然后将from和to区交换, from区保留了存活的对象.
      • 以此类推, 每当Eden区空间不足时, 就触发MinorGC, 采用复制算法, 将Eden和from区的存活对象复制到to区, 且寿命+1, 清除Eden区的垃圾, 然后将from和to区交换, from区保留了存活的对象.
      • Minor GC会一直重复这样的过程，直到“To”区被填满，“To”区被填满之后，会将所有对象移动到年老代中。
      • 当存活对象的寿命超过阈值时, 就将该对象从新生代转移到老年代. 因为该对象一直存活说明十分重要, 应该放到gc不频繁的老年代.
    • 老年代中gc不频繁, 一般放着那些存活时间久的对象
      • 大对象会直接进入老年代, 且不会触发gc.
      • 当老年代空间不足, 会先尝试触发minor gc清理新生代, 如果空间依旧不足, 那么就会触发full gc, 清理老年代.
      • full gc也会触发SWT(stop the world), 但是相比于minor gc, full gc的暂停时间更长.
      • 如果full gc后空间足够, 那就继续运行. 如果full gc后空间不足, 那么抛出out of memory error

常见的垃圾回收器有哪些？

串行垃圾收集器

  • Serial收集器（复制算法): 新生代单线程收集器，标记和清理都是单线程，优点是简单高效； 全程STW
  • Serial Old收集器 (标记-整理算法): 老年代单线程收集器，Serial收集器的老年代版本；全程STW

并行垃圾收集器

  • ParNew收集器 (复制算法): 新生代收并行集器，实际上是Serial收集器的多线程版本，在多核 CPU环境下有着比Serial更好的表现； 全程STW
  • Parallel Scavenge收集器 (复制算法): 新生代并行收集器，追求高吞吐量，高效利用 CPU。吞吐量 = 用户线程时间/(用户线程时间+GC线程时间)，高吞吐量可以高效率的利用CPU时间，尽 快完成程序的运算任务，适合后台应用等对交互相应要求不高的场景； 全程STW
  • Parallel Old收集器 (标记-整理算法)： 老年代并行收集器，吞吐量优先，Parallel Scavenge收集器的老年代版本； 全程STW

并发垃圾收集器

  • CMS(Concurrent Mark Sweep)收集器（标记-清除算法）： 老年代并行收集器，以获取最短回收停顿时间为目标的收集器，具有并发收集、低停顿的特点，追求最短GC回收停顿时间。
  • G1(Garbage First)收集器 (标记-整理算法)： Java堆并行收集器，G1收集器是JDK1.7提供的一 个新收集器，G1收集器基于标记-整理算法实现，也就是说不会产生内存碎片。此外，G1收集器不同于之前的收集器的一个重要特点是：G1回收的范围是整个Java堆(包括新生代，老年代)，而前六种收集器回收的范围仅限于新生代或老年代。

CMS垃圾回收器详细介绍

CMS是老年代并行垃圾收集器, 采取标记清除算法, 追求最短GC回收停顿时间, 优点是并发收集, 低停顿. CMS 处理过程有四个步骤：

  1. 初始标记，指的是寻找所有被 GCRoots 引用的对象，该阶段需要STW。 这个步骤仅仅只是标记一下 GC Roots 能直接关联到的对象，并不需要做整个引用的扫描，因此速度很快。
  2. 并发标记，指的是对「初始标记阶段」标记的对象进行整个引用链的扫描，该阶段与用户线程同时运行, 不需要STW
  3. 重新标记，指的是对「并发标记」阶段出现的问题进行校正，该阶段需要STW. 由于垃圾回收算法和用户线程并发执行，虽然能降低响应时间，但是会发生漏标和多标的问题。
  4. 并发清除，指的是将标记为垃圾的对象进行清除，该阶段与用户线程同时运行, 不需要STW.

CMS 之所以能极大地降低 GC 停顿时间，本质上是将原本冗长的引用链扫描进行切分。通过 GC 线程与用户线程并发执行，加上重新标记校正的方式，减少了垃圾回收的时间。

CMS缺点是:

  • 多线程并发处理, 吃CPU资源
  • 无法处理浮动垃圾, 在 CMS 进行并发清理的时候，用户线程同时在运行，也会产生一些浮动垃圾。
  • 采用标记清除算法会产生空间碎片

G1垃圾回收器详细介绍

特点

  • 同时注重吞吐量(Throughput)和低延迟(Low latency), 默认的暂停目标是200ms
  • 将堆内存化整为零，会将堆划分为多个大小相等的Region, 内存的回收是以region作为基本单位的
  • 整体上是标记整理算法，两个区域之间是复制算法

G1 垃圾收集过程主要分为4个阶段: 以深入理解java虚拟机为标准

  1. 初始标记
    • 标记了从GC Root开始直接关联可达的对象
    • 触发STW
  2. 并发标记
    • 在老年代占用堆空间比例到达阈值时, 从GC Root开始对堆中对象进行可达性分析, 递归扫描整个堆里的对象图, 标记出所有回收对象
    • 和用户程序并发执行, 不会STW
  3. 最终标记
    • 并发标记时, 其他 用户线程也会工作, 会产生新的对象, 遗弃旧对象 (处理漏标, 错标)
    • 触发STW
  4. 筛选回收
    • 先对Region的回收价值进行排序，然后根据期望暂停时间，选择性回收Region
    • 不追求一次全部清理完, 优先回收垃圾最多的区域
    • 回收时采用复制算法，多条收集器线程并发执行
    • 触发STW

如何选择垃圾收集器

  • 在堆大小不是很大（比如 100MB ），选择串行收集器一般是效率最高的。 参数： -XX:+UseSerialGC
  • 当项目运行在单核的机器上，或者你的虚拟机核数只有单核，选择串行收集器依然是合适的，这时候启用一些并行收集器没有任何收益。 参数： -XX:+UseSerialGC
  • 当项目是“吞吐量”优先的，并且对较长时间的停顿没有什么特别的要求。选择并行收集器是比较好的。 参数： -XX:+UseParallelGC
  • 如果项目对响应时间要求较高，想要较少的停顿。甚至 1 秒的停顿都会引起大量的请求失败，那么选择 G1 、 ZGC 、 CMS 都是合理的。虽然这些收集器的 GC 停顿通常都比较短，但它 需要一些额外的资源去处理这些工作，通常吞吐量会低一些。 参数： -XX:+UseConcMarkSweepGC 、 -XX:+UseG1GC 、 -XX:+UseZGC 等。

从上面这些出发点来看，我们平常的 Web 服务器，都是对响应性要求非常高的。选择性其实就集 中在 CMS 、 G1 、 ZGC 上。而对于某些定时任务，使用并行收集器，是一个比较好的选择。

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