深入理解java GC 机制

傷城~ 2023-06-22 14:53 104阅读 0赞

# 一、前言 #

Java的GC（垃圾回收）机制是区别C++的一个重要特征。C++需要开发者在代码中实现垃圾回收逻辑，但在Java中，JVM帮开发者代劳了。我们只有理解了GC机制，才能编写出高性能的应用。要想理解GC，就要先理解JVM内存管理机制。这样才能知道回收哪些对象，什么时候回收以及怎么回收

# 二、JVM #

根据JVM规范，JVM把内存划分成了如下几个区域：

1.方法区（Method Area）
    2.堆区（Heap）
    3.虚拟机栈（VM Stack）
    4.本地方法栈（Native Method Stack）
    5.程序计数器（Program Counter Register）

![format_png][]

其中，方法区和堆区所有线程共享。  
静态变量 + 常量 + 类信息(构造方法/接口定义) + 运行时常量池存放在 方法区 中  
实例变量 存放在 堆内存 中

### 2.1 方法区（Method Area） ###

方法区存放了要加载的类的信息（如类名、修饰符等）、静态变量、构造函数、final定义的常量、类中的字段和方法等信息。方法区是全局共享的，在一定条件下也会被GC。当方法区超过它允许的大小时，就会抛出OutOfMemory：PermGen Space异常。  
在Hotspot虚拟机中，这块区域对应持久代（Permanent Generation），一般来说，方法区上执行GC的情况很少，因此方法区被称为持久代的原因之一，但这并不代表方法区上完全没有GC，其上的GC主要针对常量池的回收和已加载类的卸载。在方法区上进行GC，条件相当苛刻而且困难。  
运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分，用于存储编译器生成的常量和引用。一般来说，常量的分配在编译时就能确定，但也不全是，也可以存储在运行时期产生的常量。比如String类的intern（）方法，作用是String类维护了一个常量池，如果调用的字符"hello"已经在常量池中，则直接返回常量池中的地址，否则新建一个常量加入池中，并返回地址。

### 2.2 堆区（Heap） ###

堆区是GC最频繁的，也是理解GC机制最重要的区域。堆区由所有线程共享，在虚拟机启动时创建。堆区主要用于存放对象实例及数组，所有new出来的对象都存储在该区域。

### 2.3 虚拟机栈（VM Stack） ###

虚拟机栈占用的是操作系统内存，每个线程对应一个虚拟机栈，它是线程私有的，生命周期和线程一样，每个方法被执行时产生一个栈帧（Statck Frame），栈帧用于存储局部变量表、动态链接、操作数和方法出口等信息，当方法被调用时，栈帧入栈，当方法调用结束时，栈帧出栈。  
局部变量表中存储着方法相关的局部变量，包括各种基本数据类型及对象的引用地址等，因此他有个特点：内存空间可以在编译期间就确定，运行时不再改变。  
虚拟机栈定义了两种异常类型：StackOverFlowError(栈溢出)和OutOfMemoryError（内存溢出）。如果线程调用的栈深度大于虚拟机允许的最大深度，则抛出StackOverFlowError；不过大多数虚拟机都允许动态扩展虚拟机栈的大小，所以线程可以一直申请栈，直到内存不足时，抛出OutOfMemoryError。

### 2.4 本地方法栈（Native Method Stack） ###

本地方法栈用于支持native方法的执行，存储了每个native方法的执行状态。本地方法栈和虚拟机栈他们的运行机制一致，唯一的区别是，虚拟机栈执行Java方法，本地方法栈执行native方法。在很多虚拟机中（如Sun的JDK默认的HotSpot虚拟机），会将虚拟机栈和本地方法栈一起使用。

### 2.5 程序计数器（Program Counter Register） ###

程序计数器是一个很小的内存区域，不在RAM上，而是直接划分在CPU上，程序猿无法操作它，它的作用是：JVM在解释字节码（.class）文件时，存储当前线程执行的字节码行号，只是一种概念模型，各种JVM所采用的方式不一样。字节码解释器工作时，就是通过改变程序计数器的值来取下一条要执行的指令，分支、循环、跳转等基础功能都是依赖此技术区完成的。  
每个程序计数器只能记录一个线程的行号，因此它是线程私有的。  
如果程序当前正在执行的是一个java方法，则程序计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令地址，如果执行的是native方法，则计数器的值为空，此内存区是唯一不会抛出OutOfMemoryError的区域。

总结：这里，只有方法区和堆区的内存需要回收

# 三、GC机制 #

回收的对象：不存在任何引用的对象

### 3.1如何判断对象是垃圾 ? ###

经典的引用计数算法，每个对象添加到引用计数器，每被引用一次，计数器+1，失去引用，计数器-1，当计数器在一段时间内为0时，即认为该对象可以被回收了。但是这个算法有个明显的缺陷：当两个对象相互引用，但是二者都已经没有作用时，理应把它们都回收，但是由于它们相互引用，不符合垃圾回收的条件，所以就导致无法处理掉这一块内存区域。因此，Sun的JVM并没有采用这种算法，而是采用一个叫——**根搜索算法**，如图：

![image.png][]

基本思想是：从一个叫GC Roots的根节点出发，向下搜索，如果一个对象不能达到GC Roots的时候，说明该对象不再被引用，可以被回收。如上图中的Object5、Object6、Object7，虽然它们三个依然相互引用，但是它们其实已经没有作用了，这样就解决了引用计数算法的缺陷。

### 3.2内存分区 ###

新生代   位于堆区
    
    新生代适合生命周期较短，快速创建和销毁的对象
    
    大致分为Eden区和Survivor区，Survivor区又分为大小相同的两部分：FromSpace和ToSpace。
    新建的对象都是从新生代分配内存，Eden区不足的时候，会把存活的对象转移到Survivor区。
    当新生代进行垃圾回收时会出发Minor GC（也称作Youn GC）

老年代    位于堆区
    
    适合生命周期较长的对象
    
    老年代用于存放新生代多次回收依然存活的对象，如缓存对象。
    当老年代满了的时候就需要对老年代进行回收，老年代的垃圾回收称作Major GC（也称作Full GC）

持久代   位于方法区
    
    Sun Hotpot虚拟机中就是指方法区

结合我们经常使用的一些 jvm 调优参数后，一些参数能影响的各区域内存大小值，示意图如下：  
![image.png][image.png 1]

注：jdk8 开始，用 MetaSpace 区取代了 Perm 区（永久代），所以相应的 jvm 参数变成 -XX:MetaspaceSize 及 -XX:MaxMetaspaceSize。

### 3.3常用GC算法 ###

1）复制算法
    复制算法采用的方式为从根集合进行扫描，将存活的对象移动到一块空闲的区域

![image.png][image.png 2]

2）标记-清除算法
    该算法采用的方式是从跟集合开始扫描，对存活的对象进行标记，标记完毕后，再扫描整个空间中未被标记的对象，并进行清除

![image.png][image.png 3]

3）标记-压缩算法
    该算法与标记-清除算法类似，都是先对存活的对象进行标记，但是在清除后会把活的对象向左端空闲空间移动，然后再更新其引用对象的指针

![image.png][image.png 4]

4）分代收集算法
    在新生代中，由于对象生存期短，每次回收都会有大量对象死去，那么这时就采用复制算法。
    老年代里的对象存活率较高，没有额外的空间进行分配担保，所以可以使用标记-整理 或者 标记-清除。

具体过程：新生代(Young)分为Eden区，From区与To区

![image.png][image.png 5]

当系统创建一个对象的时候，总是在Eden区操作，当这个区满了，那么就会触发一次YoungGC，也就是年轻代的垃圾回收。一般来说这时候不是所有的对象都没用了，所以就会把还能用的对象复制到From区。

![image.png][image.png 6]

这样整个Eden区就被清理干净了，可以继续创建新的对象，当Eden区再次被用完，就再触发一次YoungGC，然后呢，注意，这个时候跟刚才稍稍有点区别。这次触发YoungGC后，会将Eden区与From区还在被使用的对象复制到To区，

![image.png][image.png 7]

再下一次YoungGC的时候，则是将Eden区与To区中的还在被使用的对象复制到From区。

![image.png][image.png 8]

经过若干次YoungGC后，有些对象在From与To之间来回游荡，这时候From区与To区亮出了底线（阈值），这些家伙要是到现在还没挂掉，对不起，一起滚到（复制）老年代吧。

![image.png][image.png 9]

老年代经过这么几次折腾，也就扛不住了（空间被用完），好，那就来次集体大扫除（Full GC），也就是全量回收。如果Full GC使用太频繁的话，无疑会对系统性能产生很大的影响。所以要合理设置年轻代与老年代的大小，尽量减少Full GC的操作。

# 四、垃圾回收器 #

### 4.1.Serial收集器 ###

串行收集器是最古老，最稳定以及效率高的收集器  
可能会产生较长的停顿，只使用一个线程去回收  
\-XX:+UseSerialGC

新生代、老年代使用串行回收
    新生代复制算法
    老年代标记-压缩

![image.png][image.png 10]

### 4.2. 并行收集器 ###

4.2.1 ParNew  
\-XX:+UseParNewGC（new代表新生代，所以适用于新生代）

新生代并行
    老年代串行

Serial收集器新生代的并行版本  
在新生代回收时使用复制算法  
多线程，需要多核支持  
\-XX:ParallelGCThreads 限制线程数量

![image.png][image.png 11]

4.2.2 Parallel收集器  
类似ParNew  
新生代复制算法  
老年代标记-压缩  
更加关注吞吐量

\-XX:+UseParallelGC

> 使用Parallel收集器+ 老年代串行

\-XX:+UseParallelOldGC

> 使用Parallel收集器+ 老年代并行

![image.png][image.png 12]

4.2.3 其他GC参数

\-XX:MaxGCPauseMills

最大停顿时间，单位毫秒  
GC尽力保证回收时间不超过设定值  
\-XX:GCTimeRatio

0-100的取值范围  
垃圾收集时间占总时间的比  
默认99，即最大允许1%时间做GC  
这两个参数是矛盾的。因为停顿时间和吞吐量不可能同时调优

### 4.3. CMS收集器 ###

Concurrent Mark Sweep 并发标记清除（应用程序线程和GC线程交替执行）  
使用标记-清除算法  
并发阶段会降低吞吐量（停顿时间减少，吞吐量降低）  
老年代收集器（新生代使用ParNew）  
\-XX:+UseConcMarkSweepGC

CMS运行过程比较复杂，着重实现了标记的过程，可分为
    
    1. 初始标记（会产生全局停顿）
    
    根可以直接关联到的对象
    速度快
    2. 并发标记（和用户线程一起） 
    
    主要标记过程，标记全部对象
    3. 重新标记 （会产生全局停顿） 
    
    由于并发标记时，用户线程依然运行，因此在正式清理前，再做修正
    4. 并发清除（和用户线程一起） 
    
    基于标记结果，直接清理对象

![image.png][image.png 13]

这里就能很明显的看出，为什么CMS要使用标记清除而不是标记压缩，如果使用标记压缩，需要多对象的内存位置进行改变，这样程序就很难继续执行。但是标记清除会产生大量内存碎片，不利于内存分配。

### 4.4. G1收集器 ###

G1是目前技术发展的最前沿成果之一，HotSpot开发团队赋予它的使命是未来可以替换掉JDK1.5中发布的CMS收集器。

与CMS收集器相比G1收集器有以下特点：

(1) 空间整合，G1收集器采用标记整理算法，不会产生内存空间碎片。分配大对象时不会因为无法找到连续空间而提前触发下一次GC。
    
    (2)可预测停顿，这是G1的另一大优势，降低停顿时间是G1和CMS的共同关注点，
    但G1除了追求低停顿外，还能建立可预测的停顿时间模型，能让使用者明确指定在一个长度为N毫秒的时间片段内，
    消耗在垃圾收集上的时间不得超过N毫秒，这几乎已经是实时Java（RTSJ）的垃圾收集器的特征了。

上面提到的垃圾收集器，收集的范围都是整个新生代或者老年代，而G1不再是这样。使用G1收集器时，Java堆的内存布局与其他收集器有很大差别，它将整个Java堆划分为多个大小相等的独立区域（Region），虽然还保留有新生代和老年代的概念，但新生代和老年代不再是物理隔阂了，它们都是一部分（可以不连续）Region的集合。

G1的新生代收集跟ParNew类似，当新生代占用达到一定比例的时候，开始出发收集。

和CMS类似，G1收集器收集老年代对象会有短暂停顿。

# 五、总结 #

1、JVM哪些分区需要垃圾回收？

JVM5个分区中：
    1.方法区（Method Area）
    2.堆区（Heap）
    3.虚拟机栈（VM Stack）
    4.本地方法栈（Native Method Stack）
    5.程序计数器（Program Counter Register）
    方法区和堆区是线程共享的，所以这两个区需要回收

2.这两个分区中，哪些对象需要回收（如何判断垃圾）？

两种算法：
    1.引用计数算法
    2.根搜索算法

3.GC常见算法？

1.复制算法
    2.标记--清除算法
    3.标记--压缩算法
    4.分代回收算法

4.垃圾回收器

1.串行收集
    2.并行收集
    3.CMS收集器
    4.G1收集器

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