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[Java知识库]JVM 垃圾回收

JVM 专栏索引：
JVM 基本概念与内存结构
 JVM 垃圾回收

1. 如何判断对象可以回收

1.1 引用计数法

定义：引用计数法（Reference Counting）给对象中添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器值就加1；当引用失效时，计数器值就减1；任何时刻计数器为 0 的对象就是不可能再被使用的。

优点：实现简单，判定效率高。
弊端：循环引用时，两个对象的计数都为1，导致两个对象都无法被释放。
在这里插入图片描述

1.2 可达性分析算法

定义：可达性分析法（Reachability Analysis），通过一系列的称为 “GC Roots” 的对象作为起始点，从这些节点开始向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链（Reference Chain），当一个对象到 GC Roots 没有任何引用链相连接（用图论的话来说，就是从 GC Roots 到这个对象不可达）时，则证明此对象是不可用的。

JVM 虚拟机中的垃圾回收器采用可达性分析来探索所有存活的对象。扫描堆中的对象，看能否沿着 GC Roots 对象为起点的引用链找到该对象，如果找不到，则表示可以回收。

哪些对象可以作为 GC Roots？

虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象。
方法区中类静态属性引用的对象。
方法区中常量引用的对象。
本地方法栈中 JNI（即一般说的 Native 方法）引用的对象。

1.3 五种引用

1.3.1 强引用

定义：指在程序代码中普遍存在的，类似 “Object obj = new Object()“ 这类的引用，只要强引用还存在，垃圾收集器永远不会回收掉被引用的对象。

只有所有 GC Roots 对象都不通过【强引用】引用该对象，该对象才能被垃圾回收。

1.3.2 软引用

定义：用来描述一些还有用但并非必需的对象。对于软引用关联着的对象，在系统将要发生内存溢出异常之前，将会把这些对象列进回收范围之中进行第二次回收。如果这次回收还没有足够的内存，才会抛出内存溢出异常。

当 GC Roots 指向软引用对象时，在内存不足时，会回收软引用引用的对象。

软引用的使用

public class Demo1 {
	public static void main(String[] args) {
		final int _4M = 4*1024*1024;
		//使用软引用对象 list 和 SoftReference 是强引用，而 SoftReference 和 byte 数组则是软引用
		List<SoftReference<byte[]>> list = new ArrayList<>();
		SoftReference<byte[]> ref= new SoftReference<>(new byte[_4M]);
	}
}

如果在垃圾回收时发现内存不足，在回收软引用所指向的对象时，软引用本身不会被清理。

如果想要清理软引用，需要使用引用队列：

public class Demo1 {
	public static void main(String[] args) {
		final int _4M = 4*1024*1024;
		//使用引用队列，用于移除引用为空的软引用对象
		ReferenceQueue<byte[]> queue = new ReferenceQueue<>();
		//使用软引用对象list和SoftReference是强引用，而SoftReference和byte数组则是软引用
		List<SoftReference<byte[]>> list = new ArrayList<>();
		SoftReference<byte[]> ref= new SoftReference<>(new byte[_4M]);

		//遍历引用队列，如果有元素，则移除
		Reference<? extends byte[]> poll = queue.poll();
		while(poll != null) {
			//引用队列不为空，则从集合中移除该元素
			list.remove(poll);
			//移动到引用队列中的下一个元素
			poll = queue.poll();
		}
	}
}

思路：查看引用队列中有无软引用，如果有，则将该软引用从存放它的集合中移除（这里为一个 list 集合)

仅有软引用引用该对象时，在垃圾回收后，内存仍不足时再次触发垃圾回收，回收软引用对象
可以配合引用队列来释放软引用自身

1.3.3 弱引用

定义：弱引用用来描述非必需对象，但是它的强度比软引用更弱一些，被弱引用关联的对象只能生存到下一次垃圾收集之前。

仅有弱引用引用该对象时，在垃圾回收时，无论内存是否充足，都会回收弱引用对象
可以配合引用队列来释放弱引用自身

弱引用的使用和软引用类似，只是将 SoftReference 换为了 WeakReference

1.3.4 虚引用

定义：虚引用也称为幽灵引用或者幻影引用，它是最弱的一种引用关系。虚引用不会对对象的生存时间构成任何影响，也无法通过虚引用来取得一个对象实例。设置虚引用的目的是为了能够在这个对象被收集器回收时收到一个系统通知。

虚引用的一个体现是释放直接内存所分配的内存，当引用的对象 ByteBuffer 被垃圾回收以后，虚引用对象 Cleaner 就会被放入引用队列中，然后调用 Cleaner 的 clean 方法来释放直接内存

1.3.5 终结器引用

所有的类都继承自 Object 类，Object 类有一个 finalize 方法。当某个对象不再被其他的对象所引用时，会先将终结器引用对象放入引用队列中，然后根据终结器引用对象找到它所引用的对象，然后调用该对象的 finalize 方法，第二次 GC 时才能回收被引用对象。

1.4 引用队列

软引用和弱引用可以配合引用队列：

在弱引用和虚引用所引用的对象被回收以后，会将这些引用放入引用队列中，方便一起回收这些软/弱引用对象。

虚引用和终结器引用必须配合引用队列：

虚引用和终结器引用在使用时会关联一个引用队列

1.5 生存还是死亡

其实，要真正宣告一个对象死亡，至少要经历两次标记过程：如果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，那它将会被第一次标记并且进行一次筛选，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 finalize() 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”。

如果这个对象被判定为没有必要执行 finalize() 方法，那么这个对象将会放置在一个叫做 F-Queue 的队列之中，并在稍后由一个由虚拟机自动建立的、低优先级的 Finalizer 线程去执行它。
finalize() 方法是对象逃脱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的标记，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一个对象建立关联即可，例如可以将自己（this 关键字）赋值给某个类变量或者对象的成员变量，那么在第二次标记时它将被移除出 “即将回收” 的集合。如果对象这时候还没有逃脱，那基本上它就真的可以回收了。《深入理解 Java 虚拟机》

2. 垃圾回收算法

2.1 标记-清除算法

定义：标记-清除（Mark-Sweep）算法，顾名思义分为 ”标记“ 和 ”清除“ 两个阶段，是指在虚拟机执行垃圾回收的过程中，首先采用标记算法确定可回收对象，在标记完成后统一回收所有被标记的对象，为堆内存腾出相应的空间。

这里的腾出内存空间并不是将内存空间的字节清 0，而是记录下这段内存的起始和结束地址，下次分配内存的时候，会直接覆盖这段内存。

优点：思路简单，容易实现。

缺点：

效率低，标记和清除两个过程效率都不高。
会产生大量不连续的内存碎片，可能导致以后无法为大对象分配内存空间。

2.2 复制算法

定义：复制（Copying）算法，将内存分为等大小的两个区域，FROM 和 TO（TO 中为空）。先将被 GC Roots 引用的对象从FROM 放入 TO 中，再回收不被 GC Roots 引用的对象，最后交换 FROM 和 TO. 这样也可以避免内存碎片的问题，但是会占用双倍的内存空间。
在这里插入图片描述
优点：

实现简单，运行高效
不会产生内存碎片

缺点：内存缩减为原来的一半，内存利用率仅为 50%

2.3 标记-整理算法

定义：标记-整理（Mark-Compact）算法和标记-清除算法非常的类似，主要被应用于老年代中，可分为以下两步：

标记：和标记-清除算法一样，先进行对象的标记，通过 GC Roots 节点扫描存活对象进行标记。
整理：将所有存活对象往一端空闲空间移动，按照内存地址依次排序，并更新对应引用的指针，然后清理末端内存地址以外的全部内存空间。

在这里插入图片描述
可以看到，标记整理算法对前面的两种算法进行了改进，一定程度上弥补了它们的缺点：

相对于标记-清除算法，弥补了出现内存空间碎片的缺点。
相对于复制算法，弥补了浪费一半内存空间的缺点。

但是同样，标记-整理算法也有它的缺点，一方面它要标记所有存活对象，另一方面还添加了对象的移动操作以及更新引用地址的操作，因此标记-整理算法具有更高的使用成本。

3. 分代垃圾回收

定义： 根据对象存活周期的不同将内存划分为几块，一般是把 Java 堆分为新生代和老年代，这样就可以根据各个年代的特点采用最适当的收集算法。在新生代中，每次垃圾收集时都有大批对象死去，只有少量存活，则选用复制算法，只需要付出少量存活对象的复制成本就可以完成收集。而老年代中因为对象存活率高、没有额外空间对它进行分配担保，则必须使用”标记-清理“或者”标记-整理“算法来进行回收。
在这里插入图片描述
回收过程：

新创建的对象都被放在了新生代的伊甸园中。
在这里插入图片描述
当伊甸园中的内存不足时，就会进行一次垃圾回收，这时的回收叫做 Minor GC.

Minor GC 会将伊甸园和幸存区 FROM 存活的对象先复制到幸存区 TO 中，并让其寿命加 1，再交换两个幸存区。再次创建对象，若新生代的伊甸园又满了，则会再次触发 Minor GC（会触发 stop the world，暂停其他用户线程，只让垃圾回收线程工作），这时不仅会回收伊甸园中的垃圾，还会回收幸存区中的垃圾，再将活跃对象复制到幸存区 TO 中。回收以后会交换两个幸存区，并让幸存区中的对象寿命加 1.
在这里插入图片描述
如果幸存区中的对象的寿命超过某个阈值（最大为15，4bit），就会被放入老年代中

如果新生代老年代中的内存都满了，就会先触发 Minor GC，再触发 Full GC，扫描新生代和老年代中所有不再使用的对象并回收。

归纳：

对象首先分配在伊甸园区域。
新生代空间不足时，触发 minor gc，伊甸园和幸存区的 from 存活的对象复制到幸存区的 to 中，存活的对象年龄加 1 并且交换幸存区的 from 和 to.
minor gc 会引发 stop the world，暂停其他用户的线程，等垃圾回收结束，用户线程才恢复运行。
当对象寿命超过阈值时，会晋升至老年代，最大寿命是 15（4 bit）。
当老年代空间不足，会先尝试触发 minor gc，如果之后空间仍不足，那么触发 full gc，STW 的时间更长。

GC 分析：

大对象处理策略
当遇到一个较大的对象时，就算新生代的伊甸园为空，也无法容纳该对象时，会将该对象直接晋升为老年代。
线程内存溢出
某个线程的内存溢出了而抛异常（OutOfMemory），不会让其他的线程结束运行。这是因为当一个线程抛出 OOM 异常后，它所占据的内存资源会全部被释放掉，从而不会影响其他线程的运行，进程依然正常。

相关 VM 参数：

含义	参数
堆初始空间	-Xms
堆最大空间	-Xmx 或 -XX:MaxHeapSize=size
新生代空间	-Xmm 或 (-XX:NewSize=size + -XX:MaxNewSize=size )
幸存区比例（动态）	-XX:InitialSurvivorRatio=ratio 和 -XX:+UseAdaptiveSizePolicy
幸存区比例	-XX:SurvivorRatio=ratio
晋升阈值	-XX:MaxTenuringThreshold=threshold
晋升详情	-XX:+PrintTenuringDistribution
GC 详情	-XX:+PrintGCDetails -verbose:gc
FullGC 前 MinorGC	-XX:+ScavengeBeforeFullGC

4. 垃圾回收器

如果说垃圾回收算法是内存回收的方法论，那么垃圾回收器就是内存回收的具体实现。《深入理解 Java 虚拟机》

并行（Parallel）收集：指多条垃圾收集线程并行工作，但此时用户线程仍处于等待状态。

并发（Concurrent）收集：指用户线程与垃圾收集线程同时工作（不一定是并行的可能会交替执行）。用户程序在继续运行，而垃圾收集程序运行在另一个 CPU 上。

吞吐量：即 CPU 用于运行用户代码的时间与 CPU 总消耗时间的比值（吞吐量 = 运行用户代码时间 / ( 运行用户代码时间 + 垃圾收集时间 )）。例如：虚拟机共运行 100 分钟，垃圾收集器花掉1分钟，那么吞吐量就是 99%.

1、串行

单线程
堆内存较小，适合个人电脑

2、吞吐量优先

多线程
堆内存较大，多核 CPU
让单位时间内， STW（Stop the world）的时间最短 0.2 0.2 = 0.4

3、响应时间优先

多线程
堆内存较大，多核 CPU
尽可能让 STW（Stop the World）的时间最短 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 = 0.5

4.1 串行

开启串行垃圾回收 JVM 命令参数：-XX:+UseSerialGC=Serial+SerialOld
在这里插入图片描述
安全点：让其他线程都在这个点停下来，以免垃圾回收时移动对象地址，使得其他线程找不到被移动的对象。

因为是串行的，所以只有一个垃圾回收线程。且在该线程执行回收工作时，其他线程进入阻塞状态。

Serial 收集器

Serial 收集器是最基本的、发展历史最悠久的收集器。

特点：单线程、简单高效（与其他收集器的单线程相比），新生代采用复制算法暂停所有用户线程，老年代采取标记-整理算法暂停所有用户线程。对于限定单个 CPU 的环境来说，Serial收集器由于没有线程交互的开销，专心做垃圾收集自然可以获得最高的单线程收集效率。收集器进行垃圾回收时，必须暂停其他所有的工作线程，直到它结束（Stop The World）。

ParNew 收集器

ParNew 收集器其实就是 Serial 收集器的多线程版本。这款收集器是 HotSpot 虚拟机中第一款真正意义上的并发（Concurrent）收集器，它第一次实现了让垃圾收集线程与用户线程（基本上）同时工作。

特点：多线程、ParNew 收集器默认开启的收集线程数与 CPU 的数量相同，在 CPU 非常多的环境中，可以使用 -XX:ParallelGCThreads 参数来限制垃圾收集的线程数。和 Serial 收集器一样存在 Stop The World 问题。

Serial Old 收集器

Serial Old 是 Serial 收集器的老年代版本。

特点：同样是单线程收集器，采用标记-整理算法。

4.2 吞吐量优先

吞吐量就是 CPU 用于运行用户代码的时间与 CPU 总消耗时间的比值，即吞吐量=运行用户代码时间 / （运行用户代码时间+垃圾收集时间）。

-XX:+UseParallelGC ~ -XX:+UseParallelOldGC
-XX:+UseAdaptiveSizePolicy
-XX:GCTimeRatio=ratio
-XX:MaxGCPauseMillis=ms
-XX:ParallelGCThreads=n

在这里插入图片描述

多线程
堆内存较大，多核 CPU
单位时间内，STW（stop the world，停掉其他所有工作线程）时间最短
JDK 1.8 默认使用的垃圾回收器

Parallel Scavenge 收集器

与吞吐量关系密切，故也称为吞吐量优先收集器。

特点：属于新生代收集器也是采用复制算法的收集器（用到了新生代的幸存区），又是并行的多线程收集器（与 ParNew 收集器类似）。

该收集器的目标是达到一个可控制的吞吐量。还有一个值得关注的点是：GC 自适应调节策略（与 ParNew 收集器最重要的一个区别）。

GC自适应调节策略：Parallel Scavenge 收集器可设置 -XX:+UseAdptiveSizePolicy 参数。当开关打开时不需要手动指定新生代的大小（-Xmn）、Eden 与 Survivor 区的比例（-XX:SurvivorRation）、晋升老年代的对象年龄（-XX:PretenureSizeThreshold）等，虚拟机会根据系统的运行状况收集性能监控信息，动态设置这些参数以提供最合适的停顿时间和最大的吞吐量，这种调节方式称为GC的自适应调节策略。

Parallel Scavenge 收集器使用两个参数控制吞吐量：

XX:MaxGCPauseMillis 控制最大的垃圾收集停顿时间。
XX:GCRatio 直接设置吞吐量的大小。

Parallel Old 收集器
是 Parallel Scavenge 收集器的老年代版本。

特点：多线程，采用标记-整理算法（老年代没有幸存区）。

4.3 响应时间优先

CMS 收集器
在这里插入图片描述

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老年代收集器。

多线程
堆内存较大，多核 CPU
尽可能让单次 STW 时间变短（尽量不影响其他线程运行）

优点：并发收集、低停顿，响应速度快。

缺点：

对 CPU 资源非常敏感。在并发阶段，虽然不会导致用户线程停顿，但是会因为占用了一部分线程而导致应用程序变慢，总吞吐量降低。
无法处理浮动垃圾。CMS 在并发清理阶段用户线程还在运行，自然还会继续产生新的垃圾，这部分垃圾出现在标记过程之后，CMS 无法在当次收集中处理它们，只好留着下一次 GC 时再清理掉。这部分垃圾称为 ”浮动垃圾“。
会产生大量的内存碎片。CMS 基于标记-清除算法实现，会产生空间碎片。

应用场景：适用于注重服务的响应速度，希望系统停顿时间最短，给用户带来更好的体验等场景下。如 Web 程序、B/S 服务。

CMS 收集器的运行过程分为下列 4 步：

初始标记（CMS initial mark）：标记 GC Roots 能直接到达的对象，速度很快但是仍存在 Stop The World 问题。
并发标记（CMS concurrent mark）：进行 GC Roots Tracing 的过程，找出存活对象且用户线程可并发执行，不存在 Stop The World 问题。
重新标记（CMS remark）：为了修正并发标记期间因用户程序继续运行而导致标记产生变动的那一部分对象的标记记录，这个阶段的停顿时间比初始标记阶段稍长一点，但远比并发标记的时间短，仍然存在 Stop The World 问题。
并发清除（CMS concurrent sweep）：对标记的对象进行清除回收，不存在 Stop The World 问题。

并发标记和并发清除过程垃圾收集器线程都可以与用户线程工作，总体上说CMS 收集器的内存回收过程是与用户线程一起并发执行的。

4.4 G1

定义：G1（Garbage First）垃圾收集器，

2004 年论文发布
2009 JDK 6u14发布
2012 JDK 7u14发布
2017 JDK 9 默认使用，替代了 CMS 收集器

在这里插入图片描述
适用场景

同时注意吞吐量和低延迟，默认的暂停目标是 200 ms
超大堆内存，会将堆划分为多个大小相等的 Region
整体上是标记-整理算法，两个 Region 之间使用的是复制算法

相关 JVM 参数：JDK 8 并不是默认开启的，需要参数开启：

-XX:+UseG1GC
-XX:G1HeapRegionSize=size
-XX:MaxGCPauseMillis=time

G1 垃圾回收阶段：
在这里插入图片描述
新生代伊甸园垃圾回收 —–> 内存不足，新生代回收 + 并发标记 —–> 回收新生代伊甸园、幸存区、老年代内存 ——> 新生代伊甸园垃圾回收(重新开始)

4.4.1 Young Collection

分区算法 Region

分代是按对象的生命周期划分，分区则是将堆空间划分连续几个不同小区间，每一个小区间独立回收，可以控制一次回收多少个小区间，方便控制 GC 产生的停顿时间。

E：伊甸园 S：幸存区 O：老年代

会产生 STW

4.4.2 Young Collection + CM

CM：Courrent Mark，并发标记

在 Young GC 时会对 GC Root 进行初始标记
在老年代占用堆内存的比例达到阈值时，会进行并发标记（不会 STW），阈值可以根据用户来进行设定，由JVM 参数决定：-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=percent（默认45%）

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4.4.3 Mixed Collection

会对 E S O 进行全面的回收：

最终标记（Remark）会 STW
拷贝存活（Evacuation）会 STW

JVM 参数 -XX:MaxGCPauseMills:xxx 用于指定最长的停顿时间。

问：为什么有的老年代被拷贝了，有的没拷贝？

因为指定了最大停顿时间，如果对所有老年代都进行回收，耗时可能过高。为了保证时间不超过设定的停顿时间，会回收最有价值的老年代（回收后，能够得到更多内存）。
在这里插入图片描述

4.4.4 Full GC

G1 在老年代内存不足时（老年代所占内存超过阈值）

如果垃圾产生速度慢于垃圾回收速度，不会触发 Full GC，还是并发地进行清理
如果垃圾产生速度快于垃圾回收速度，便会触发 Full GC

4.4.5 Young Collection 跨代引用

新生代回收的跨代引用（老年代引用新生代）问题
在这里插入图片描述

卡表与 Remembered Set

Remembered Set 存在于E中，用于保存新生代对象对应的脏卡
脏卡：O 被划分为多个区域（一个区域 512K），如果该区域引用了新生代对象，则该区域被称为脏卡

在引用变更时通过 post-write barried + dirty card queue

concurrent refinement threads 更新 Remembered Set

4.4.6 Remark

重新标记阶段，发生在垃圾回收时，收集器处理对象的过程中。

黑色：已被处理，需要保留的，也就是说不会被回收；灰色：正在处理中的；白色：还未处理的，有可能以后被回收
在这里插入图片描述
但是在并发标记过程中，有可能 A 被处理了以后未引用 C，但该处理过程还未结束，在处理过程结束之前 A 引用了 C，这时就会用到 Remark.
过程如下：

之前 C 未被引用，这时 A 引用了 C，就会给 C 加一个写屏障，写屏障的指令会被执行，将 C放入一个队列当中，并将 C 变为处理中的状态。
在并发标记阶段结束以后，重新标记阶段会 STW，然后将放在该队列中的对象重新处理，发现有强引用引用它，就会处理它

4.4.7 JDK 8u20 字符串去重

优点：节省大量内存
缺点：占用了 CPU 时间，新生代回收时间略微增加
参数：-XX:+UseStringDeduplication

String s1 = new String("hello"); // char[]{'h','e','l','l','o'} 
String s2 = new String("hello"); // char[]{'h','e','l','l','o'}

将所有新分配的字符串（底层是char[]）放入一个队列
当新生代回收时，G1并发检查是否有重复的字符串
如果字符串的值一样，就让他们引用同一个字符串对象
注意，与 String.intern() 不一样
4.1 String.intern() 关注的是字符串对象
4.2 而字符串去重关注的是 char[]
4.3 在 JVM 内部，使用了不同的字符串表

4.4.8 JDK 8u40 并发标记类卸载

所有对象都经过并发标记后，就能知道哪些类不再被使用，当一个类加载器的所有类都不再使用，则卸载它所加载的所有类。
-XX:+ClassUnloadingWithConcurrentMark 默认启用

4.4.9 JDK 8u60 回收巨型对象

一个对象大于 Region 的一半时，就称为巨型对象
G1 不会对巨型对象进行拷贝
回收时被优先考虑

G1 会跟踪老年代所有 incoming 引用，如果老年代 incoming 引用为 0 的巨型对象就可以在新生代垃圾回收时处理掉。
在这里插入图片描述

4.4.10 JDK 9 并发标记起始时间的调整

并发标记必须在堆空间占满前完成，否则退化为 FullGC
JDK 9 之前需要使用 -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent
JDK 9 可以动态调整
3.1 -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent 用来设置初始值
3.2 进行数据采样并动态调整
3.3 总会添加一个安全的空挡空间