JVM内存模型和垃圾回收器

pq217
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前言

JVM垃圾回收器的相关知识已经学了好几年了，但一直没有将学习内容记录下来， 由于工作中需要jvm调优场景也不多，所以很容易就忘记了，所以就决定将学习内容记录下来，以备以后查阅。

环境：jdk1.8

堆和栈

当我们创建一个对象时，对象会被分配到堆内存中，内存又分为堆和栈，其中堆内存一般是用来存放对象的，栈内存一般是用来存放基本数据类型的。

那么问题来了，当我们new一个对象的时候一定会分配到堆上么，其实不，因为JVM 有个逃逸分析机制，默认是开启的

逃逸分析：JVM在分配对象存储位置时，会分析对象的作用域，如果对象的作用域仅限于方法内部，那么JVM会使用标量替换(默认开启)将对象分配到栈上，而不是堆上，这样对象所 占用的内存就会随着栈帧出栈而自动实方，不需要进行垃圾回收，提升性能。

如下面这个方法

private void alloc() {
    User user = new User();
    user.setId(1);
    user.setName("pq");
    // 存储数据库
}

这个方法中的user对象只在方法内部使用，这种就可以存到栈上，不会占用堆内存，从而提升性能。

堆内存模型

大部分情况下，一个对象还是会落到堆上，堆内存又分为新生代和老年代，新生代又分为Eden区、Survivor0区、Survivor1区，新生代和老年代的比例默认是1:2，即新生代占整个堆内存的1/3，老年代占2/3。

如下图所示： image.png

一个对象在堆中声明周期一般如下：

  • 当创建一个对象时，会首先进入Eden区
  • 当Eden区内存满了之后，会触发一次Young GC，此时很多对象会被作为垃圾回收销毁掉
  • 因为大部分情况下对象是朝生夕死的，所以经过这次GC存活的对象很少，此时会将存活对象移动到S0区
  • 此时新产生的对象会继续进入Eden区
  • 当Eden区再次满了之后，又会触发一次Young GC，此时会检查Eden区和S0区的存活对象，存活对象会移动到S1区，然后Eden区和S0区的垃圾对象会被销毁
  • 每个存活对象在经过一次GC之后，年龄会+1(存储在对象头中)，当年龄达到一定值时(可配)，会晋升到老年代
  • 老年代满了之后，会触发Full GC，此时会使用标记-清除-整理 算法进行垃圾回收

总结： 大部分对象是朝生夕灭的，所以新生代的占比是8:1:1，即Eden区占8，S0和S1各占1，年轻代使用的是标记-复制算法，当一个对象经过多次GC之后还存活， 整明这个对象是个顽固对象，会晋升到老年代，等待full gc再看是否清除，老年代使用的是标记-清除-整理算法。

对象内存分配

按上两章的介绍，对象内存分配可以整理如下图(摘抄自网上) image.png

对象进入老年代的条件

对象年龄

如上所属，对象如果年龄不断增长，就会进入老年代，但这是一般情况

但按照上述逻辑，如果一次Young GC剩余的对象Survivor区放不下，会怎么办？答案当然是提前进入老年代

动态年龄判断

如果一次Young GC之后，Survivor区某个年龄及以下的对象占用超过了Survivor区的一半， 那么这个年龄及以上的对象会直接进入老年代，这个年龄就是动态年龄判断，有点绕口

比如年龄为1，2，3的对象已占用超过Survivor区一半空间，那么3岁及以上年龄的对象会直接进入老年代

总之执行的结果就是一次Young GC之后，Survivor区中的对象占用空间不能超过一半，谁岁数大谁先进入老年代

这就好比一个幼儿园，某一年小孩入学非常多，导致座位不够了，怎么办，把年龄大的优先升入小学，这样就腾出位置了

大对象

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）。JVM参数 -XX:PretenureSizeThreshold 可以设置大对象的大小，如果对象超过设置大小会直接进入老年代， 不会进入年轻代，这个参数只在Serial和ParNew两个收集器下有效

垃圾回收器

垃圾回收器一般都是成对出现的，新生代一套，老年代一套

Serial和Serial Old

这应该是最早的垃圾回收器，Serial即串行回收器，就一个线程进行垃圾回收，回收过程stop the world(以下叫STW)，即GC时会暂停应用程序 image.png

Parallel和Parallel Old

这个是jdk1.8默认的垃圾回收器，其实就是多线程版本的Serial，回收过程也是STW，但多线程回收，所以速度更快

image.png

ParNew和CMS

CMS就很出名了，包括很多后续的垃圾回收器都有借鉴CMS的思想，CMS是Concurrent Mark Sweep的缩写，即并发标记清除，这个回收器是为了减少STW的时间而生的，

ParNew和Parallel没啥区别，只是为了适配CMS，由于新生代的清理速度要远高于老年代，所以CMS主要是优化老年代的回收，新生代的回收交给ParNew

那CMS相比于Parallel Old优化了什么呢？看一下CMS的回收过程 image.png

看起来非常复杂，且整个过程经历两个STW，但实际上，虽然STW次数变多了，但这两次STW时间都很短

  • 初始标记：标记GC Roots能直接关联到的对象，这个阶段会STW，但很快
  • 并发标记：这个阶段回合应用线程同时执行，不会STW，这个阶段根据初始标记的结果继续向下遍历可达树，标记所有对象 但这里有个问题，这个阶段应用程序还在执行，所以这个阶段有可能产生新的垃圾怎么办呢？其实很简单，增量更新即可，即把这段时间变动的对象记录下来，再来一次只针对变化的重新标记
  • 重新标记：针对上一阶段变化的对象进行标记，这个阶段会STW，但很快，必须要STW，否则又重复上一阶段的操作，就没头了
  • 并发清除：这个阶段回合应用线程同时执行，不会STW，这个阶段清除前几阶段标记的垃圾对象，但问题又来了，如果这个阶段 又产生了新垃圾怎么办，答案很简单，留着，等下一次清除再清，这就是浮动垃圾

CMS虽然增加了STW的次数，但大大减少了STW的总时间

G1

G1是第一款不分代的垃圾回收器，但是只是物理上没有绝对的区分，逻辑上还是保留了分代思想

G1把堆内存分为多个Region，JVM目标是不超过2048个Region，每个区域可以扮演不通的角色，比如Eden区，Survivor区，Old区，Humongous区等

G1的回收过程与CMS很相似，如下：

  • 初始标记(STW)：标记GC Roots能直接关联到的对象
  • 并发标记：同CMS的并发标记
  • 最终标记(STW)：同CMS的重新标记
  • 筛选回收(STW)：这个阶段与CMS不同，因为STW了，主要原因是太复杂没实现，不过到了后来的ZGC这一步就并发清除了，这个阶段 还有个特殊点，得益于G1的Region划分，这个阶段可以只清理部分Region，而不是全部，这样就减少了STW的时间，那清除哪部分Region呢？ 答案是G1会对各个Region的回收价值和成本进行排序，根据用户所期望的GC停顿STW时间(参数可配)来制定回收计划，也就是说 使用G1用户可以指定一个期望的GC停顿时间，G1会根据这个时间来制定回收计划，这个特性是G1的一大亮点，STW时间可控

G1还有个好处是主要使用标记-复制算法，直接把存活对象复制到新的Region，不会像CMS那样导致内存碎片

G1这种特殊的分Region的特性导致它适合大内存的应用，因为大内存会导致其它垃圾回收器的STW时间变长，但G1可以根据用户的期望停顿时间来制定回收计划， 只清理 那些最适合清理的Region，所以适合大内存应用

总结

上面对各垃圾回收器的介绍还是比较枯燥的，如果现实显示中的例子就好理解了：

比如现在某个学校雇佣了个扫厕所的大妈，这个大妈要定期清理厕所，他就是垃圾回收器，需要清扫的坑位就是垃圾对象，再假设这个厕所有多个房间 每个房间有多个坑位，每个房间相当于GC root直接引用，每个坑位相当于间接引用

image.png

  1. 这个大妈是一个人，每次清扫都要把厕所们锁上，不让学生进，清扫完了再开门，这就是Serial

  2. 这个大妈是一个团队，有N个人，每次清扫都要把厕所们锁上，不让学生进，清扫完了再开门，但多个人干活快，这就是Parallel

  3. 学生开始抱怨，厕所停用的时间太长了，好多人憋得不行，于是大妈团队开始优化行动，CMS：

  • 先停止使用，标记那个房间需要清扫(初始标记)
  • 然后开始针对初始标记每个房间进行坑位标记，标记哪个坑位需要清扫，此过程不影响学生使用厕所(并发标记)
  • 再次停止使用，针对上一阶段学生使用的坑位进行重新标记(重新标记)
  • 恢复使用，清除前三个阶段标记需要清理的坑位，此过程不影响学生使用厕所(并发清除)，但会产生新的需要清理的坑位(浮动垃圾)
  1. 学校不断扩招，学生越来越多，CMS的暂定时间虽短，但这么大量的学生，还是会导致暂停时间变长，于是大妈团队决定换个方式，把一个大厕所 分成多个小厕所，每次清理时根据校方规定的停顿时间，制定清理计划，只清理那些最适合清理的小厕所，尽量保证再时间范围内完成清理，这就是G1
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