《深入理解Java虚拟机》之GC

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内存动态分配和垃圾收集技术

GC：哪些内存需要回收？什么时候回收？如何回收？

当需要排查各种内存溢出、内存泄露问题时，当垃圾收集成为系统达到更高并发量的瓶颈时，就需要对内存动态分配和垃圾收集技术实施必要的监控和调节。

垃圾收集器关注的是Java堆和方法区中的动态分配和回收的内存。

判断对象存活与否？

1、引用计数算法：主流的Java虚拟机未采用，很难解决对象之间相互循环引用的问题

2、可达性分析算法：判定对象是否可回收

对象真正死亡：至少经历两次标记过程：finalize()最多执行一次

一、垃圾收集算法：

1.标记-清除算法 Mark and Sweep

分为标记和清除两个阶段，是最基础的收集算法，主要不足：1、效率问题；2、空间问题：标记清除之后会产生大量不连续的内存碎片，导致之后在程序运行过程中需要分配较大对象时，无法找到足够的连续内存而不得不提前触发另一次GC。

2.复制算法 Copying

一块内存平均划分为2块，一块空闲，一块存储，当回收的时候，把另一半中仍然存活的复制过来，并将其内存全部收回——解决了效率问题（每次都是对半个区域进行内存回收，内存分配时也不用考虑内存碎片等复杂情况，只要移动堆顶指针，按顺序分配内存即可，实现简单运行高效）。比较适合“朝生夕死”的新生代对象。

Eden:Survivor0:Survivor = 8:1:1

3.标记-整理算法 Mark-Compact

标记以后，让所有存活的对象都向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存。适用于老年代，绝大多数对象都存活的情况。

4.分代收集算法

一般将Java堆分为新生代和老年代，对于新生代，每次收集时都发现有大批对象死去，只有少量存活，就选用复制算法，只需付出少量复制成本即可完成回收。而老年代中对象存活率高，没有额外空间对其进行担保，就必须使用“标记清除”或者“标记整理”算法回收。

一般新生代触发内存回收称之为Yong GC，而老年代大对象触发内存回收称之为Full GC

Young区（新生代），Elden区（老年代），Survivor区（永久代）：S0，S1，Meta Space，S0:S1=9:1

Java内存：堆内存、栈内存、方法区

堆内存：基本数据类型，引用类型，Java8之后常量池移动堆中

栈内存：递归无终止条件会导致StackOverFlowError，栈空间的耗尽

方法区：函数，方法名

二、垃圾回收器

收集算法是内存回收的方法论，垃圾收集器是内存回收的具体实现。

7种作用于不同分代的收集器：

特性、基本原理和使用场景：

重点分析CMS和G1相对复杂的收集器，了解运作细节。

  • 新生代：Serial、ParNew、Praralell Scavenge

  • 老年代：CMS、Serial Old、Parallel Old、G1

1、Serial收集器

单线程，stop the world，是虚拟机运行在Client模式下的默认新生代收集器，与其他收集器的单线程相比，简单而高效。对于限定单个CPU的环境而言，Serial由于没有线程交互的开销，可以获得最高的单线程收集效率。

新生代采取复制算法，而老年代采取标记-整理算法。

2、ParNew收集器

是Serial的多线程版本，行为包括：Serial可用的所有控制参数、收集算法、stop the world、对象分配规则、回收策略。这两种收集器共用了不少代码。

-XX:ParallelGCThreads用来限制垃圾收集的线程数，ParNew收集器是使用-XX:+UseConcMarkSweepGC后的默认新生代收集器。可以使用-XX:+UseParNewGC强制使用。

3、Praralell Scavenge（清除）收集器

复制算法，并行的多线程收集器，目标是达到可控制的吞吐量（吞吐量优先收集器），吞吐量=运行用户代码时间/(运行用户代码时间+GC时间)，低停顿时间有利于提高响应速度，因而适合交互较多的程序，高吞吐量可以高效利用CPU时间，尽快完成程序的运算任务，主要适合后台计算。

精确控制吞吐量的参数：-XX:MaxGCPauseMillis（控制最大GC停顿时间），-XX:GCTimeRatio（直接设置吞吐量大小）

GC停顿时间缩短是以牺牲吞吐量和新生代空间为代价的。

自适应调节策略：-XX:+UseAdaptiveSizePolicy 开启GC自适应调节策略后，无需手工指定新生代的大小（-Xmn）、Eden与Survivor区的比例（-XX:SurvivorRatio）、晋升老年代对象大小（-XX:PretenureSizeThreshold）等参数，虚拟机会根据当前系统运行情况收集性能监控信息，动态调整这些参数以提供最合适的停顿时间或者最大的吞吐量。

4、Serial Old收集器

单线程、标记-整理算法、老年代，给Client模式的VM使用，Server模式下，作为CMS的后备预案（在并发收集发生Concurrent Mode failure时使用）

5、Parallel Old收集器

是Praralell Scavenge的老年代版本，多线程，标记-整理算法，在注重吞吐量以及CPU资源敏感的场合，可以优先考虑使用Praralell Scavenge+Praralell Old组合。

相关问题：

1.哪些对象可以作为引用链的 Root 对象？

答：引用链的 Root 对象可以为以下内容：

  • Java 虚拟机栈中的引用对象；
  • 本地方法栈中 JNI（既一般说的 Native 方法）引用的对象；
  • 方法区中类静态常量的引用对象；
  • 方法区中常量的引用对象。

2.对象引用关系都有哪些？

答：不管是引用计数法还是可达性分析算法都与对象的“引用”有关，这说明对象的引用决定了对象的生死，对象的引用关系如下。

  • 强引用：在代码中普遍存在的，类似 Object obj = new Object() 这类引用，只要强引用还在，垃圾收集器永远不会回收掉被引用的对象。
  • 软引用：是一种相对强引用弱化一些的引用，可以让对象豁免一些垃圾收集，只有当JVM 认为内存不足时，才会去试图回收软引用指向的对象，JVM 会确保在抛出 OutOfMemoryError 之前，清理软引用指向的对象。
  • 弱引用：非必需对象，但它的强度比软引用更弱，被弱引用关联的对象只能生存到下一次垃圾收集发生之前。
  • 虚引用：也称为幽灵引用或幻影引用，是最弱的一种引用关系，无法通过虚引用来获取一个对象实例，为对象设置虚引用的目的只有一个，就是当这个对象被收集器回收时收到一条系统通知。

3.垃圾回收算法有哪些？

答：垃圾回收算法如下。

  • 引用计数器算法：引用计算器判断对象是否存活的算法是这样的，给每一个对象设置一个引用计数器，每当有一个地方引用这个对象的时候，计数器就加 1，与之相反，每当引用失效的时候就减 1。
  • 可达性分析算法：在主流的语言的主流实现中，比如 Java、C#，甚至是古老的 Lisp 都是使用的可达性分析算法来判断对象是否存活的。这个算法的核心思路就是通过一些列的“GC Roots”对象作为起始点，从这些对象开始往下搜索，搜索所经过的路径称之为“引用链”。当一个对象到 GC Roots 没有任何引用链相连的时候，证明此对象是可以被回收的。
  • 复制算法：复制算法是将内存分为大小相同的两块，当这一块使用完了，就把当前存活的对象复制到另一块，然后一次性清空当前区块。此算法的缺点是只能利用一半的内存空间。
  • 标记-清除算法：此算法执行分两阶段，第一阶段从引用根节点开始标记所有被引用的对象，第二阶段遍历整个堆，把未标记的对象清除。此算法需要暂停整个应用，同时，会产生内存碎片。
  • 标记-整理：此算法结合了“标记-清除”和“复制”两个算法的优点。分为两个阶段，第一阶段从根节点开始标记所有被引用对象，第二阶段遍历整个堆，把清除未标记对象并且把存活对象“压缩”到堆的其中一块，按顺序排放。此算法避免了“标记-清除”的碎片问题，同时也避免了“复制”算法的空间问题。

4.垃圾回收的分类都有哪些？

答：垃圾回收的分类如下：

  • 新生代回收器：Serial、ParNew、Parallel Scavenge
  • 老年代回收器：Serial Old、Parallel Old、CMS
  • 整堆回收器：G1

5.分代垃圾回收器的组成部分有哪些？

答：分代垃圾回收器是由：新生代（Young Generation）和老生代（Tenured Generation）组成的，默认情况下新生代和老生代的内存比例是 1:2。

6.新生代的组成部分有哪些？

答：新生代是由：Eden、Form Survivor、To Survivor 三个区域组成的，它们内存默认占比是 8:1:1。

7.新生代垃圾回收是怎么执行的？

答：新生代垃圾回收的执行过程如下：

① Eden 区 + From Survivor 区存活着的对象复制到 To Survivor 区；
② 清空 Eden 和 From Survivor 分区；
③ From Survivor 和 To Survivor 分区交换（From 变 To，To 变 From）。

8.为什么新生代有两个 Survivor 分区？

答：当新生代的 Survivor 分区为 2 个的时候，不论是空间利用率还是程序运行的效率都是最优的。

  • 如果 Survivor 是 0 的话，也就是说新生代只有一个 Eden 分区，每次垃圾回收之后，存活的对象都会进入老生代，这样老生代的内存空间很快就被占满了，从而触发最耗时的 Full GC ，显然这样的收集器的效率是我们完全不能接受的。
  • 如果 Survivor 分区是 1 个的话，假设把两个区域分为 1:1，那么任何时候都有一半的内存空间是闲置的，显然空间利用率太低不是最佳的方案。但如果设置内存空间的比例是 8:2 ，只是看起来似乎“很好”，假设新生代的内存为 100 MB（ Survivor 大小为 20 MB ），现在有 70 MB 对象进行垃圾回收之后，剩余活跃的对象为 15 MB 进入 Survivor 区，这个时候新生代可用的内存空间只剩了 5 MB，这样很快又要进行垃圾回收操作，显然这种垃圾回收器最大的问题就在于，需要频繁进行垃圾回收。
  • 如果 Survivor 分区有 2 个分区，我们就可以把 Eden、From Survivor、To Survivor 分区内存比例设置为 8:1:1 ，那么任何时候新生代内存的利用率都 90% ，这样空间利用率基本是符合预期的。再者就是虚拟机的大部分对象都符合“朝生夕死”的特性，因此每次新对象的产生都在空间占比比较大的 Eden 区，垃圾回收之后再把存活的对象方法存入 Survivor 区，如果是 Survivor 区存活的对象，那么“年龄”就 +1 ，当年龄增长到 15 （可通过 -XX:+MaxTenuringThreshold 设定）对象就升级到老生代。

经过以上对比，可以得出结论，当新生代的 Survivor 分区为 2 个的时候，不论是空间利用率还是程序运行的效率都是最优的。

9.什么是 CMS 垃圾回收器？

答：CMS（Concurrent Mark Sweep）一种以获得最短停顿时间为目标的收集器，非常适用 B/S 系统。

10.CMS 垃圾回收器有哪些优缺点？

答：CMS 垃圾回收器的优点是使用多线程，标记清除垃圾的，它缺点如下。

  • 对 CPU 资源要求敏感：CMS 回收器过分依赖于多线程环境，默认情况下，开启的线程数为（CPU 的数量 + 3）/ 4，当 CPU 数量少于 4 个时，CMS 对用户本身的操作的影响将会很大，因为要分出一半的运算能力去执行回收器线程；
  • CMS 无法清除浮动垃圾：浮动垃圾指的是 CMS 清除垃圾的时候，还有用户线程产生新的垃圾，这部分未被标记的垃圾叫做“浮动垃圾”，只能在下次 GC 的时候进行清除；
  • CMS 垃圾回收会产生大量空间碎片：CMS 使用的是标记-清除算法，所有在垃圾回收的时候回产生大量的空间碎片。

11.什么是 G1 垃圾回收器？

答：G1 垃圾回收器是一种兼顾吞吐量和停顿时间的 GC 实现，是 JDK 9 以后的默认 GC 选项。G1 可以直观的设定停顿时间的目标，相比于 CMS CG，G1 未必能做到 CMS 在最好情况下的延时停顿，但是最差情况要好很多。

G1 GC 仍然存在着年代的概念，但是其内存结构并不是简单的条带式划分，而是类似棋盘的一个个 Region。Region 之间是复制算法，但整体上实际可看作是标记 - 整理（Mark-Compact）算法，可以有效地避免内存碎片，尤其是当 Java 堆非常大的时候，G1 的优势更加明显。

12.垃圾回收的调优参数有哪些？

答：垃圾回收的常用调优如下：

  • -Xmx:512 设置最大堆内存为 512 M；
  • -Xms:215 初始堆内存为 215 M；
  • -XX:MaxNewSize 设置最大年轻区内存；
  • -XX:MaxTenuringThreshold=5 设置新生代对象经过 5 次 GC 晋升到老年代；
  • -XX:PretrnureSizeThreshold 设置大对象的值，超过这个值的大对象直接进入老生代；
  • -XX:NewRatio 设置分代垃圾回收器新生代和老生代内存占比；
  • -XX:SurvivorRatio 设置新生代 Eden、Form Survivor、To Survivor 占比。
请我吃辣条吧~~　谢谢打赏
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