浅谈虚拟机的垃圾回收

小咪咪 2022-11-28 00:47 214阅读 0赞

最近在极客时间上的《深入拆解Java虚拟机》课堂上学习，所以记录下了学习的笔记，与及对其相关的内容进行思考和拓展。

# 1. 如何辨别一个对象是存是亡？ #

用来辨别的计算方法有两种： 引用计数法与可达性分析。

## 1.1 引用计数法 ##

**实现方式：** 每个对象添加一个引用计数器，用来统计指向该对象的引用个数。一旦某个对象的引用计数器为 0，则说明该对象已经死亡，便可以被回收了。

**缺点：**  
1.需要额外的空间来存储计数器，以及繁琐的更新操作

2.引用计数法还有一个重大的漏洞，那便是无法处理循环引用对象。

## 1.2 可达性分析 ##

**实现方式：** 这个是主流的垃圾回收器。这个算法的实质在于将一系列 GC Roots 作为初始的存活对象合集（live set），然后从该合集出发，探索所有能够被该集合引用到的对象，并将其加入到该集合中，这个过程我们也称之为标记（mark）。最终，未被探索到的对象便是死亡的，是可以回收的。

**GC Roots 包括（但不限于）如下几种：**

Java 方法栈桢中的局部变量；

已加载类的静态变量；

JNI handles；

已启动且未停止的 Java 线程。

**缺点：** 比如说，在多线程环境下，其他线程可能会更新已经访问过的对象中的引用，从而造成误报（将引用设置为 null）或者漏报（将引用设置为未被访问过的对象）。误报并没有什么伤害，Java 虚拟机至多损失了部分垃圾回收的机会。漏报则比较麻烦，因为垃圾回收器可能回收事实上仍被引用的对象内存。一旦从原引用访问已经被回收了的对象，则很有可能会直接导致 Java 虚拟机崩溃。

# 2. 怎么解决这个问题呢？ #

Java 虚拟机中的 Stop-the-world 是通过安全点（safepoint）机制来实现的。当 Java 虚拟机收到 Stop-the-world 请求，它便会等待所有的线程都到达安全点，才允许请求 Stop-the-world 的线程进行独占的工作。而详细怎样实现就不一一说了。总结来说就是，在每个方法一个安全点，然后调用一个方法，或者完成一个方法，就会触发这个安全点检查，如果安全点检查发现有需要停止进行垃圾回收的，线程就会先阻塞。而检查的颗度为方法，为什么不是每一个字节码，主要还是开销的问题。

# 3. 如何进行垃圾回收呢？ #

当标记完所有的存活对象时，我们便可以进行死亡对象的回收工作了。主流的基础回收方式可分为三种。

## 3.1 清除（sweep） ##

**实现方式：** 即把死亡对象所占据的内存标记为空闲内存，并记录在一个空闲列表（free list）之中。当需要新建对象时，内存管理模块便会从该空闲列表中寻找空闲内存，并划分给新建的对象。

**缺点：**

1）会造成内存碎片。由于 Java 虚拟机的堆中对象必须是连续分布的，因此可能出现总空闲内存足够，但是无法分配的极端情况。

2）分配效率较低。如果是一块连续的内存空间，那么我们可以通过指针加法（pointer bumping）来做分配。而对于空闲列表，Java 虚拟机则需要逐个访问列表中的项，来查找能够放入新建对象的空闲内存。

## 3.2 压缩（compact） ##

**实现方式：** 把存活的对象聚集到内存区域的起始位置，从而留下一段连续的内存空间。这种做法能够解决内存碎片化的问题

**缺点：** 压缩算法的性能开销大，需要将大量对象迁移，过程消耗资源多，耗时大。

## 3.3 复制（copy） ##

**实现方式：** 把内存区域分为两等分，分别用两个指针 from 和 to 来维护，并且只是用 from 指针指向的内存区域来分配内存。当发生垃圾回收时，便把存活的对象复制到 to 指针指向的内存区域中，并且交换 from 指针和 to 指针的内容。复制这种回收方式同样能够解决内存碎片化的问题。

**缺点：** 空间的使用效率极其低下。说明只能有一半是可以利用，一般是空着的。

# 4. jvm的垃圾回收简介 #

Java 虚拟机可以给不同代使用不同的回收算法。对于新生代，我们猜测大部分的 Java 对象只存活一小段时间，那么便可以频繁地采用耗时较短的垃圾回收算法，让大部分的垃圾都能够在新生代被回收掉。对于老年代，我们猜测大部分的垃圾已经在新生代中被回收了，而在老年代中的对象有大概率会继续存活。当真正触发针对老年代的回收时，则代表这个假设出错了，或者堆的空间已经耗尽了。

# 5. Java 虚拟机的堆划分 #

Java 虚拟机将堆划分为新生代和老年代。其中，新生代又被划分为 Eden 区，以及两个大小相同的 Survivor 区。如下图：

![图片][format_png]

默认情况下，Java 虚拟机采取的是一种动态分配的策略（对应 Java 虚拟机参数 -XX:+UsePSAdaptiveSurvivorSizePolicy），根据生成对象的速率，以及 Survivor 区的使用情况动态调整 Eden 区和 Survivor 区的比例。

\-XX:SurvivorRatio 来固定这个比例。但是需要注意的是，其中一个 Survivor 区会一直为空，因此比例越低浪费的堆空间将越高。

# 6. 垃圾回收的机制 #

## 6.1 Minor GC ##

Minor GC 触发时机，当Eden区满了，利用 标记 - 复制算法，做了什么事情呢？看下面流程图：

![图片][format_png 1]

上面的每个判断，其实都是有参数是可以配置设置的，这里省略了。

**Minor GC 好处：**

1）Eden区的对象基本都是只用一次就清除了，所以只需要标记还存活的对象进行复制，其实清除，这样就很高效。

2） 不用对整个堆进行垃圾回收。只是对新生代进行清除，效率高。

**带来的问题：**

那就是老年代的对象可能引用新生代的对象。也就是说，在标记存活对象的时候，我们需要扫描老年代中的对象。如果该对象拥有对新生代对象的引用，那么这个引用也会被作为 GC Roots。因此引出了Full GC的概念。

## 6.2 Full GC ##

**Full 触发时机：** 当有对象晋升为老年代时候，发现老年代的空间不足或，则会触发。者持久代空间不足。或者当在持久代创建对象，发现内存不足时候，但是现在通常的持久代是在系统的内存上了，所以通常比较少会出现内存不足。

**实现流程：** 不同的垃圾回收器用不同的算法，主要流程是在老年代创建对象，发现内存不足，然后就会进行对该区的对象不可达的对象回收，回收之后，如果发现还是内存不足，无法保存对象，这个时候就会报错内存泄露。

通常发送了full gc是对程序比较严重的预警，比较高度注意，从而阻止一些一起改full gc的行为，从而保证系统的正常运行。

# 7. 垃圾回收器 #

常见的垃圾回收器：Serial GC、ParNew GC、Parrallel GC、CMS GC、G1 GC

## 7.1 Serial GC ##

它是最古老的垃圾收集器，“Serial”体现在其收集工作是单线程的，并且在进行垃圾收集过程中，会进入臭名昭著的“Stop-The-World”状态。当然，其单线程设计也意味着精简的 GC 实现，无需维护复杂的数据结构，初始化也简单，所以一直是 Client 模式下 JVM 的默认选项。

## 7.2 ParNew GC ##

它是个新生代 GC 实现，它实际是 Serial GC 的多线程版本，最常见的应用场景是配合老年代的 CMS GC 工作。

## 7.3 Parallel GC ##

它是 server 模式 JVM 的默认 GC 选择，也被称作是吞吐量优先的 GC。它的算法和 Serial GC 比较相似，尽管实现要复杂的多，其特点是新生代和老年代 GC 都是并行进行的，在常见的服务器环境中更加高效。

## 7.4 CMS GC ##

基于标记 - 清除（Mark-Sweep）算法，设计目标是尽量减少停顿时间，这一点对于 Web 等反应时间敏感的应用非常重要，一直到今天，仍然有很多系统使用 CMS GC。但是，CMS 采用的标记 - 清除算法，存在着内存碎片化问题，所以难以避免在长时间运行等情况下发生 full GC，导致恶劣的停顿。另外，既然强调了并发（Concurrent），CMS 会占用更多 CPU 资源，并和用户线程争抢。 CMS 已经在 JDK 9 中被标记为废弃（deprecated）

## 7.5 G1 GC ##

G1 GC 这是一种兼顾吞吐量和停顿时间的 GC 实现，是 Oracle 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 GC，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。所以很多情况选择G1 GC作为服务器的垃圾回收器是很好的选择。所以这里对C1 GC详细说说。

**7.5.1 首先我们对GC1的基本了解**

**Region** ：G1的各代存储地址是不连续的，每一代都使用了n个不连续的大小相同的Region，每个Region占有一块连续的虚拟内存地址。

如下图所示：

![图片][format_png 2]

G1的内存结构不仅和传统的结构上不同，而且还可以看到比传统的多了一个结构模块，就是图上的H，其全称是Humongous，字面的意思其实就是巨大的，而这些Region表示用来存储巨大的对象的。就是当一个对象大小超过某个阈值，就会被标记为Humongous。按照我们传统的，对于这种大对象，会直接安排到老生代上。

**RSet：** 全称Remembered Sets, 用来记录外部指向本Region的所有引用，每个Region维护一个RSet。利用这样记录的方法的好处是在回收一个Region的时候不需要执行全堆扫描，只需要检查它的RS就可以找到外部引用，而这些引用就是initial mark的根之一。

**Card:** JVM将内存划分成了固定大小的Card。这里可以类比物理内存上page的概念。

**Card Table：** 如果一个线程修改了Region内部的引用，就必须要去通知RS，更改其中的记录。为了达到这种目的，G1回收器引入了一种新的结构，CT(Card Table)——卡表。每一张卡，都用一个Byte来记录是否修改过。卡表即这些byte的集合。

Region、Card、Card Table、Rset之间的关系如下图：

![图片][format_png 3]

### **7.5.2 C1 GC的模式** ###

其中主要包括：Young GC、Mixed GC、Full GC 。  
当Eden区内存不足时候，就会发生Young GC。而当老年代占整个堆大小的百分比到达阈值时候，就会发生Mixed GC。而当G1的垃圾回收过程是和应用程序并发执行的，当Mixed GC的速度赶不上应用程序申请内存的速度的时候，Mixed G1就会降级到Full GC，使用的是Serial GC。

这里详细说一下Mixed GC。

1.  **什么是** **Mixed GC？**  
    回收所有的年轻代的Region+部分老年代的Region，回收部分老年代是参数-XX:MaxGCPauseMillis ，用来指定一个G1收集过程目标停顿时间，默认值200ms，当然这只是一个期望值。G1的强大之处在于他有一个停顿预测模型（Pause Prediction Model），他会有选择的挑选部分Region，去尽量满足停顿时间。
2.  **Mixed GC触发的条件是什么？**  
    Mixed GC的触发也是由一些参数控制。比如XX:InitiatingHeapOccupancyPercent表示老年代占整个堆大小的百分比，默认值是45%，达到该阈值就会触发一次Mixed GC。
3.  **Mixed GC的过程是怎样？**  
    Mixed GC主要可以分为两个阶段：  
    **全局并发标记**  
    全局并发标记可以分为五个阶段如下：  
    初始标记：标记了从GC Root开始直接可达的对象。初始标记阶段借用young GC的暂停，因而没有额外的、单独的暂停阶段。  
    并发标记：这个阶段从GC Root开始对heap中的对象标记，标记线程与应用程序线程并行执行，并且收集各个Region的存活对象信息。  
    最终标记：标记那些在并发标记阶段发生变化的对象，将被回收。  
    清除垃圾：这个阶段如果发现完全没有活对象的region就会将其整体回收到可分配region列表中。 清除空Region。  
    **拷贝存活对象**  
    Evacuation阶段是全暂停的。它负责把一部分region里的活对象拷贝到空region里去（并行拷贝），然后回收原本的region的空间。Evacuation阶段可以自由选择任意多个region来独立收集构成收集集合（collection set，简称CSet），CSet集合中Region的选定依赖于上文中提到的停顿预测模型，该阶段并不evacuate所有有活对象的region，只选择收益高的少量region来evacuate，这种暂停的开销就可以（在一定范围内）可控。
4.  **Mixed GC带来的效果是什么？**  
    Mixed GC主要可以对old区无用的对象进行提早清理回收，减少无用的对象一直积压，引起full GC，从而带来对象程序停顿 。

**十分感谢学习文章：**

[1.垃圾回收有哪些？][1.]

[2.Java Hotspot G1 GC的一些关键技术][2.Java Hotspot G1 GC]

[3.G1从入门到放弃][3.G1]

[ 4.G1垃圾回收详解][4.G1]

5.极客时间课堂-《深入拆解Java虚拟机》

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[format_png 2]: /images/20221124/67cce26a4f8c40e79df540eee9850555.png
[format_png 3]: /images/20221124/293c387b2fb341449b609505e620786a.png
[1.]: https://www.jianshu.com/p/73fd29d1cb39
[2.Java Hotspot G1 GC]: https://tech.meituan.com/2016/09/23/g1.html
[3.G1]: https://www.jianshu.com/p/548c67aa1bc0
[4.G1]: https://www.jianshu.com/p/aef0f4765098