JVM学习笔记-垃圾回收

傷城~ 2022-11-17 05:16 221阅读 0赞

## 一、概念 ##

> ![这里是引用][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80Mzk4MTMxNQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
> （1）在Java中，程序员不需要去关心内存动态分配和垃圾回收的问题，顾名思义，垃圾回收就是释放垃圾占用的空间，这一切都交给了JVM来处理。  
> （2）Java 内存运行时区域中的程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈随线程而生灭；栈中的栈帧随着方法的进入和退出而有条不紊地执行着出栈和入栈操作。每一个栈帧中分配多少内存基本上是在类结构确定下来时就已知的（尽管在运行期会由 JIT 编译器进行一些优化），因此这几个区域的内存分配和回收都具备确定性，不需要过多考虑回收的问题，因为方法结束或者线程结束时，内存自然就跟随着回收了。  
> （3）Java 堆不一样，一个接口中的多个实现类需要的内存可能不一样，一个方法中的多个分支需要的内存也可能不一样，我们只有在程序处于运行期间时才能知道会创建哪些对象，这部分内存的分配和回收都是动态的，垃圾收集器所关注的是这部分内存。  
> （4）在探讨Java垃圾回收机制之前，我们首先应该记住一个单词：Stop-the-World。Stop-the-world意味着 JVM由于要执行GC而停止了应用程序的执行，并且这种情形会在任何一种GC算法中发生。当Stop-the-world发生时，除了GC所需的线程以外，所有线程都处于等待状态直到GC任务完成。事实上，GC优化很多时候就是指减少Stop-the-world发生的时间，从而使系统具有高吞吐 、低停顿的特点。

## 二、判断被回收的对象 ##

有以下两种方法：  
**（1）引用计数法：** 给对象添加一引用计数器，被引用一次计数器值就加 1；当引用失效时，计数器值就减 1；计数器为 0 时，对象就是不可能再被使用的，简单高效，缺点是无法解决对象之间相互循环引用的问题（A对象引用了B，B对象引用了A，导致无法被回收），计数的存储需要空间。  
**（2）可达性分析法：** 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时，则证明此对象是不可用的。此算法解决了上述循环引用的问题。

> ![这里是引用][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80Mzk4MTMxNQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
> 在Java语言中，可作为 GC Roots 的对象包括下面几种：  
> **a. 虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象。  
> b. 方法区中类静态属性引用的对象。  
> c. 方法区中常量引用的对象。  
> d. 本地方法栈中 JNI（Native方法）引用的对象**

**三、四种引用（GC root的引用类型）**  
**（1）强引用：** 指在程序代码之中普遍存在的，类似"Object obj=new Object()"这类的引用，垃圾收集器永远不会回收存活的强引用对象。  
**（2）软引用：** 还有用但并非必需的对象。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。  
**（3）弱引用：** 用来描述非必需对象的，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 。当垃圾收集器工作时，无论内存是否足够，都会回收掉只被弱引用关联的对象。  
**（4）虚引用：** 虚引用是最弱的一种引用关系。 无法通过虚引用来取得一个对象实例 。为一个对象设置虚引用关联的唯一目的就是能在这个对象被收集器回收时收到一个系统通知。

> ![这里是引用][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80Mzk4MTMxNQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
> 四种引用具体解释：https://www.cnblogs.com/liyutian/p/9690974.html

## 四、垃圾回收机制 ##

**1、永久代的回收机制**  
永久代的垃圾收集主要回收两部分内容：废弃常量和无用的类。

回收废弃常量与回收 Java 堆中的对象非常类似。以常量池中字面量的回收为例，假如一个字符串"abc"已经进入了常量池中，但是当前系统没有任何一个 String 对象是叫做"abc"的，也没有其他地方引用了这个字面量，如果这时发生内存回收，而且必要的话，这个"abc"常量就会被系统清理出常量池。常量池中的其他类（接口）、方法、字段的符号引用也与此类似。  
类需要同时满足下面 3 个条件才能算是“无用的类”：

> a. 该类所有的实例都已经被回收，也就是 Java 堆中不存在该类的任何实例。  
> b. 加载该类的 ClassLoader 已经被回收。  
> c.该类对应的 java.lang.Class 对象没有在任何地方被引用，无法在任何地方通过反射访问该类的方法。  
> 虚拟机可以对满足上述 3个条件的无用类进行回收，这里说的仅仅是“可以”，而并不是和对象一样，不使用了就必然会回收。

**2、新生代的回收机制：** 新生代通常存活时间较短，因此基于复制算法来进行回收。

**3、老年代的回收机制：** 旧生代与新生代不同，对象存活的时间比较长，比较稳定，因此采用标记（Mark）算法来进行回收。

**新生代和老生代的内存比例：**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80Mzk4MTMxNQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

## 五、垃圾回收算法 ##

**1、复制算法**（主要用于新生代survivor from区和survivor to区）

（1）复制算法将内存划分为两个区间，在任意时间点，所有动态分配的对象都只能分配在其中一个区间（称为活动区间），而另外一个区间（称为空闲区间）则是空闲的。  
（2）当有效内存空间耗尽时，JVM将暂停程序运行，开启复制算法GC线程。接下来GC线程会将活动区间内的存活对象，全部复制到空闲区间，且严格按照内存地址依次排列，与此同时，GC线程将更新存活对象的内存引用地址指向新的内存地址。  
（3）此时，空闲区间已经与活动区间交换，而垃圾对象现在已经全部留在了原来的活动区间，也就是现在的空闲区间。事实上，在活动区间转换为空间区间的同时，垃圾对象已经被一次性全部回收。

\*\*缺点：\*\*需要内存缩小为原来的一半，太过浪费。

**2、标记清除算法（一般不采用）**  
**分为标记和清除两个阶段：**  
（1）在标记阶段，collector从mutator根对象开始进行遍历，对从mutator根对象可以访问到的对象都打上一个标识，一般是在对象的header中，将其记录为可达对象。  
（2）在清除阶段，collector对堆内存(heap memory)从头到尾进行线性的遍历，如果发现某个对象没有标记为可达对象-通过读取对象的header信息，则就将其回收。

**缺点：** 效率不算高，在进行GC的时候,需要停止整个应用程序,导致用户体验差，这种方式清理出来的空闲内存是不连续的,产生内存碎片。需要维护一个空闲列表。

> ![这里是引用][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80Mzk4MTMxNQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]

**3、标记-整理算法** （老年代常用）  
**分为两个阶段：标记和整理**  
（1） 标记：它的第一个阶段与标记/清除算法是一模一样的，均是遍历GC Roots，然后将存活的对象标记。  
（2） 整理：移动所有存活的对象，且按照内存地址次序依次排列，然后将末端内存地址以后的内存全部回收。因此，第二阶段才称为整理阶段。

缺点：标记/整理算法唯一的缺点就是效率也不高，不仅要标记所有存活对象，还要整理所有存活对象的引用地址。从效率上来说，标记/整理算法要低于复制算法。

**算法总结：**  
1、三个算法都基于根搜索算法去判断一个对象是否应该被回收，而支撑根搜索算法可以正常工作的理论依据，就是语法中变量作用域的相关内容。因此，要想防止内存泄露，最根本的办法就是掌握好变量作用域。  
2、在GC线程开启时，或者说GC过程开始时，它们都要暂停应用程序（stop the world）。它们的区别按照下面几点来给各位展示。

> 效率：复制算法>标记/整理算法>标记/清除算法（此处的效率只是简单的对比时间复杂度，实际情况不一定如此）。  
> 内存整齐度：复制算法=标记/整理算法>标记/清除算法。  
> 内存利用率：标记/整理算法=标记/清除算法>复制算法。

垃圾回收有两种类型，**Minor GC 和 Full GC。**

> Minor GC：对新生代进行回收，不会影响到年老代。因为新生代的 Java 对象大多死亡频繁，所以 Minor GC  
> 非常频繁，一般在这里使用速度快、效率高的算法，使垃圾回收能尽快完成。 Full GC：也叫 Major GC，对整个堆进行回收，包括新生代和老年代。由于Full GC需要对整个堆进行回收，所以比Minor GC要慢，因此应该尽可能减少Full GC的次数，导致Full GC的原因包括：老年代被写满、永久代（Perm）被写满和System.gc()被显式调用等。

标记清除算法和标记整理算法比较：

*  （1）标记整理算法每一次都需要移动大量存活对象，会出现较长的Stop the world现象；
 *  （2）标记整理算法移动存活对象使得内存回收会更复杂，标记清除算法不移动对象导致内存碎片的产生，所以在分配大对象时可能出现空间不足的情况，这时会使得内存分配更加复杂；

## 六、内存分配策略 ##

**（1）对象优先在Eden分配：** 大多情况，对象在新生代Eden区分配。当Eden区没有足够空间进行分配时，虚拟机将进行一次Minor GC。虚拟机提供了参数 -XX:+PrintGCDetails ，在虚拟机发生垃圾收集行为时打印内存回收日志。  
**（2）大对象直接进入老年代：** 所谓大对象是指，需要大量连续内存空间的Java对象，经常出现大对象容易导致内存还有不少空间时就提前触发垃圾收集以获取足够的连续空间来为大对象分配内存。虚拟机提供了一个-XX:PretenureSizeThreshold 参数，让大于该值得对象直接进入老年代。这样做的目的是避免在新生代Eden区及两个Survivor区之间发生大量的内存复制。  
**（3）长期存活的对象将进入老年代：** 虚拟机使用了分代收集的思想来管理内存，内存回收时为了区分哪些对象应放在新生代，哪些应该放在老年代，虚拟机为每个对象定义了一个对象年龄（Age）计数器。如果对象被分配在Eden区并经过第一次Minor GC 后仍然存活，并且能被Survivor容乃的情况下，将被移动到Survivor中，对象年龄设为1。在Survivor区每经过一次Minor GC，年龄就加1，当对象的年龄到达一定程度时（**默认15岁**），**就会晋升到老年代**。对象晋升到老年代的阈值，可以通过参数：-XX:MaxTenuringThreshold 设置。  
\*\*（4）动态对象年龄判定：\*\*虚拟机并不是永远要求对象的年龄必须达到了MaxTenuringThreshold才能晋升老年代，如果Survivor空间中，相同年龄对象的大小之和大于Survivor空间大小的一半，就可以直接进入老年代。  
**（5）空间分配担保：** 在发生Minor GC 之前，虚拟机会先检查老年代最大可用连续空间是否大于新生代所有对象大小总和，如果条件成立，那么Minor GC可以确保是安全的。如果不成立，虚拟机会查看HandlePromotionFailure设置的值是否允许担保失败。如果允许，那么虚拟机会检查老年代最大可用连续空间是否大于历次晋升到老年代对象大小的平均值，如果大于，将会尝试进行一次Minor GC；如果小于，或者HandlePromotionFailure设置不允许冒险，这时会进行一次Full GC。

## 七、JVM参数 ##

> \-Xms设置堆的最小空间大小。  
> \-Xmx设置堆的最大空间大小。  
> \-Xmn:设置年轻代大小  
> \-XX:NewSize设置新生代最小空间大小。  
> \-XX:MaxNewSize设置新生代最大空间大小。  
> \-XX:PermSize设置永久代最小空间大小。  
> \-XX:MaxPermSize设置永久代最大空间大小。  
> \-Xss设置每个线程的堆栈大小  
> \-XX:+UseParallelGC:选择垃圾收集器为并行收集器。此配置仅对年轻代有效。即上述配置下,年轻代使用并发收集,而年老代仍旧使用串行收集。  
> \-XX:ParallelGCThreads=20:配置并行收集器的线程数,即:同时多少个线程一起进行垃圾回收。此值最好配置与处理器数目相等。

## 八、最大垃圾回收停顿时间与吞吐量的关系 ##

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），虚拟机总共运行了100分钟，其中垃圾收集花掉了1分钟，那吞吐量就是99%；

*  （1）如果我们想提高吞吐量，那么应该去减少垃圾回收的时间，那么应该尽可能的去减少请gc的次数，那么就会导致垃圾越积越多，每一次gc都需要耗费大量的时间去标记，去清除，那么最大的垃圾回收停顿时间就会在增加；
 *  （2）如果我们想要降低最大的垃圾回收停顿时间，提高用户体验，那么我们势必要多次去清除垃圾，每次清除一小部分来使得最大停顿时间下降，但是此时由于多次stop  
    the world的去标记和清除垃圾，那么垃圾收集时间要增加，吞吐量就会下降；

那么我们可以将最大垃圾回收停顿时间和吞吐量的关系总结如下：

*  （1）如果要高吞吐量，那势必会导致某次的最大垃圾回收停顿时间很长，用户需要等很久！
 *  （2）如果要用户体验，那就得缩短最大垃圾回收停顿时间，那势必就得频繁运行 GC，这样吞吐量就会下降了！

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