JVM垃圾回收概述

JVM类加载概述
JVM运行时数据区概述

概述

垃圾收集机制是 Java 的招牌能力,极大的提高了开发效率。如今,垃圾收集几乎成为了现代语言的标配,即使经过了如此长时间的发展,Java 的垃圾收集机制仍然在不断的演进中,不同大小的设备、不同特征的应用场景都对垃圾收集提出了新的挑战,也是面试的热门考点

什么是垃圾

垃圾是指在运行程序中没有任何指针指向的对象,这个对象就是需要被回收的垃圾。

如果不及时对内存中的垃圾进行清理,那么这些垃圾所占的内存空间会一直保留到应用程序结束,被保留的空间无法被其它对象所使用,甚至可能导致内存溢出

为什么需要 GC

  • 对于高级语言来说,不进行垃圾回收,内存迟早都会被消耗完
  • 释放没用的独享,垃圾回收也可以清除内存里的记录碎片,碎片整理将所有占用的堆内存到堆的一段,以便JVM将整理出的内存分配给的新的对象
  • 随着应付业务越来越庞大、复杂、用户越来越多,没有GC就不能保证应用程序的正常进行,经常造成 STW 的 GC 又跟不上实际的需求,所以才会不短地尝试对 GC 进行优化。

Java 自动内存管理介绍

自动内存管理,无需开发人员手动参与内存的分配与回收,降低内存泄漏和内存溢出的风险

自动内存管理机制,将开发人员从繁重的内存管理中释放出来,可以更专注与业务开发

坏处

  • 对于 Java 开发人员而言,自动内存管理就像一个黑匣子,如果过度依赖于自动内存管理,那么可能会弱化开发人员在程序中出现内存溢出时定位问题和解决问题的能力
  • 所以了解 JVM 的自动内存分配和内存回收原理就显得非常重要,只有在真正了解 JVM 是如何管理内存后,我们才能够在遇见 OutOfMemoryError 时,快速的根据错误日志定位问题和解决问题。
  • 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并发量的瓶颈时,我们就必须对"自动化"技术实施必须要的监控和调优。

GC 发生的区域

垃圾回收器可以对年轻代回收,也可以对老年代回收,甚至是整个堆和方法区的回收。

其中 Java堆是垃圾收集器的工作重点

从次数上讲:

  • 频繁收集 Young 区
  • 较少收集 Old 区
  • 基本不收集 Perm 区(元空间)

垃圾回收相关算法

垃圾标记阶段之引用计数算法

垃圾标记阶段:对象存活判断

  • 在堆里存放着几乎所有的 Java 对象实例,在 GC 执行垃圾回收之前,首先需要区分出内存中哪些是存活对象,哪些是已经死亡的对象,只有被标记已经死亡的对象,GC 才会执行垃圾回收时,释放掉其所占内存空间,因此这个过程我们可以称为垃圾标记阶段。
  • 那么在 JVM 中是如何标记一个死亡对象呢?简单来说,就是当一个对象已经不再被任何的存活对象继续引用时,就可以宣判死亡。
  • 判断对象存活一般有两种方式:引用计数算法可达性分析算法

引用计数算法

  • 引用计数算法(Reference Counting)比较简单,对每个对象保存一个整型的引用计数器属性,用于记录对象被引用的情况。
  • 对于一个对象 A,只要有任何一个对象引用了 A,则 A 的引用计数器就加 1;当引用失效的时候就减 1。只要对象 A 的引用计数器为 0,即表示对象 A 不可能在被使用,则可以进行回收。

优点

  • 实现简单,垃圾对象便于辨识,判定效率高,回收没有延迟性。

缺点

  • 需要单独的字段存储计数器,这样的做法增加了存储空间的开销
  • 每次赋值都要更新计数器,增加了时间开销
  • 引用计数器有个严重的问题,即无法处理循环引用的情况。这个问题是致命的,所以导致在 Java 的垃圾回收器中没有使用这类算法。

垃圾标记阶段之可达性分析算法

相对于引用计数算法而言,可达性分析算法不仅同样具备实现简单和执行高效等特点,更重要的是该算法可以有效地解决在引用计数算法中循环引用的问题,防止内存泄漏的发生

这样类型的垃圾收集通常也叫做追踪性垃圾收集(Tracing Garbage Collection)

所谓GC Roots根集合就是一组必须活跃的引用。

基本思路:

  • 可达性分析算法是以根对象集合(GC Roots)为起始点,按照从上至下的方式搜索被根对象集合所连接的目标对象是否可达
  • 使用可达性分析算法后,内存中的存货对象都会被根对象集合直接或间接连接着,搜索所走过的路径称为引用链(Reference Chain)
  • 如果目标对象没有任何引用链相连,则说明是不可达的,意思着该对象已经死亡,可以标记为垃圾对象。
  • 在可达性分析算法中,只有能够被根对象集合直接或者间接连接的对象才是存活对象。

可以作为 GC Roots 的对象有哪些?

  • 虚拟机栈中引用的对象,比如:各个线程被调用的方法中使用到的参数、局部变量等。
  • 本地方法栈内引用的对象。
  • 方法区中静态属性引用变量。
  • 方法区中常量引用的对象,比如:字符串常量池(String Table)里的引用。
  • 所有被同步锁 synchronized 持有的对象。
  • Java 虚拟机内部的引用。基本数据类型对象的 Class 对象,一些常驻的异常对象(如:NullPointerException、OutOfMemoryError),系统类加载器。
  • 反应 Java 虚拟机内部情况的 JMXBean、JVMTI 中注册的回调、本地代码缓存等。

对象的 finalization 机制

  • Java 语言提供了对象终止(finalization)机制来允许开发人员提供对象被销毁之前的自定义处理逻辑
  • 当垃圾回收器发现没有引用指向一个对象,就会调用这个对象的 finalize()方法。
  • finalize()方法允许在子类中被重写,用于在对象被回收时进行资源释放。通常在这个方法中进行一些资源释放和清理工作,比如关闭文件、数据库连接等。
  • 不要主动的调用 finalize()方法,应该交给垃圾回收机制来调用。

原因:

  1. finalize()可能导致对象复活。
  2. finalize()执行时间没有保障,完全由 GC 线程决定,极端情况下,若不发生 GC,finalize()就不会被调用。
  3. 一个糟糕的 finalize()会影响 GC 的性能。

由于 finalize()方法的存在,虚拟机中的对象一般处于三种可能的状态

如果从所有的根节点都无法访问到某对象,说明对象已经不再使用了。一般来说,此对象需要被回收。但事实上,也并非是"非死不可"的,这时候它们暂时处于"缓刑"阶段。一个无法触及的对象有可能在某一个条件下"复活"自己,如果这样,那么对它的回收就是不合理的,为此,定义虚拟机中的对象可能的三种状态。

如下:

  1. 可触及的:从根节点开始,可以到达这个对象。
  2. 可复活的:对象的所有引用都被释放,但是对象有可能在 finalize()中复活。
  3. 不可触及的:对象的 finalize()被调用,并且没有复活,那么就会进入不可触及状态,不可触及的对象不可能被复活,因为finalize()只会被调用一次

以上三种状态中,是由于 finalize()方法的存在,进行的区分,只有在对象不可触及时才可以被回收。

具体过程

  • 判断一个对象是否可以回收,至少要经历两次标记过程:

    1. 如果对象到 GC Roots 没有引用链,则进行第一次标记。
    2. 进行筛选,判断此对象是否有必要执行 finalize()方法:

      ① 如果对象没有重写 finalize()方法,或者 finalize()方法以及被虚拟机调用过,则虚拟机视为"没有必要执行",当前对象判定为不可触及的。

      ② 如果对象重写了 finalize()方法,且还未执行过,那么当前对象会被插入到 F-Queue 队列中,由一个虚拟机自动创建的、低优先级的 Finalizer 线程触发其 finalize()方法执行。

      finalize()方法是对象逃脱死亡的最后机会,稍后 GC 会对 F-Queue 队列中的对象进行第二次标记,如果对象在 finalize()方法终于引用链上的任何一个对象建立了联系,那么在第二次标记时,对象会被移出"即将回收"的集合,之后,如果对象再次出现没有引用存在的情况,finalize()方法不会再次被调用,对象会直接变成不可触及的状态,也就是说,一个对象的 finalize()方法只会被调用一次。

代码示例:

/**
 * 测试Object类中finalize()方法,即对象的finalization机制。
 */
public class CanReliveObj {
    public static CanReliveObj obj;//类变量,属于 GC Root


    //finalize方法只能被调用一次
    @Override
    protected void finalize() throws Throwable {
        super.finalize();
        System.out.println("调用当前类重写的finalize()方法");
        obj = this;//当前待回收的对象在finalize()方法中与引用链上的一个对象obj建立了联系。 obj是GC Roots,this是当前对象,也就是要被回收的对象。
    }


    public static void main(String[] args) {
        try {
            obj = new CanReliveObj();
            // 对象第一次成功拯救自己
            obj = null;
            System.gc();//调用垃圾回收器。第一次GC的时候,会执行finalize方法,在finalize方法中,由于obj指向了this,obj变量是一个GC Root,要被回收的对象与引用链上的对象建立了又联系,所以对象被复活了
            System.out.println("第1次 gc");
            // 因为Finalizer线程优先级很低,暂停2秒,以等待它
            Thread.sleep(2000);
            if (obj == null) {
                System.out.println("obj is dead");
            } else {
                System.out.println("obj is still alive"); // 这句会输出
            }
            System.out.println("第2次 gc");
            // 下面这段代码与上面的完全相同,但是这次自救却失败了
            obj = null;
            System.gc(); // 第二次调用GC,由于finalize只能被调用一次,所以对象会直接被回收
            // 因为Finalizer线程优先级很低,暂停2秒,以等待它
            Thread.sleep(2000);
            if (obj == null) {
                System.out.println("obj is dead"); // 这句会输出
            } else {
                System.out.println("obj is still alive");
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

运行结果:

第1次 gc
调用当前类重写的finalize()方法
obj is still alive
第2次 gc
obj is dead

垃圾清除阶段之标记-清除算法

概述

当成功区分出内存中存活对象和死亡对象后, GC 接下来的任务就是执行垃圾回收,释放掉无用对象所占用的内存空间,以便有足够的可用内存空间为新对象分配内存。

目前在 JVM 中比较常见的三种垃圾收集算法是

  • 标记-清除算法(Mark-Sweep)。
  • 复制算法(Copying)。
  • 标记-压缩算法(Mark-Compact)。

标记-清除算法(Mark-Sweep)是一种非常基础和常见的垃圾收集算法,该算法被 J.McCarthy 等人在 1960 年提出并并应用于 Lisp 语言。

执行过程

当堆中的有效内存空间(available memory)被耗尽的时候,就会停止整个程序(也被称为 stop the world),然后进行两项工作,第一项则是标记,第二项则是清除。

  • 标记: Collector 从引用根节点开始遍历,标记所有被引用的对象,一般是在对象的 Header 中记录为可达对象。
  • 清除: Collector 对堆内存从头到尾进行线性的遍历,如果发现某个对象在其 Header 中没有标记为可达对象,则将其回收。

什么是清除?

这里所谓的清除并不是真的置空,而是把需要清除的对象地址保存在空闲的地址列表里。下次有新对象需要加载时,判断垃圾的位置空间是否够,如果够,就存放覆盖原有的地址。

关于空闲列表:

  • 如果内存规整

    • 采用指针碰撞的方式进行内存分配
  • 如果内存不规整

    • 虚拟机需要维护一个列表
    • 空闲列表分配

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,会产生内存碎片,需要维护一个空闲列表。

垃圾清除阶段之复制算法

背景

为了解决标记-清除算法在垃圾收集效率方面的缺陷,M.L.Minsky 于 1963 年发表了著名的论文,“使用双存储区的 Lisp 语言垃圾收集器 CA LISP Garbage Collector Algorithm Using Serial Secondary Storage)”。M.L.Minsky 在该论文中描述的算法被人们称为复制(Copying)算法,它也被 M.L.Minsky 本人成功地引入到了 Lisp 语言的一个实现版本中。

核心思想

将活着的内存空间分为两块,每次只使用其中一块,在垃圾回收时将正在使用的内存中的存活对象复制到未被使用的内存块中,之后清除正在使用的内存块中的所有对象,交换两个内存的角色,最后完成垃圾回收。

优点

  • 没有标记和清除过程,实现简单,运行高效。
  • 复制过去以后保证空间的连续性,不会出现“碎片”问题。

缺点

  • 此算法的缺点也是很明显的,就是需要两倍的内存空间。
  • 对于 G1 这种分拆成为大量 region 的 GC,复制而不是移动,意味着 GC 需要维护 region 之间对象引用关系,不管是内存占用或者时间开销也不小。

注意

如果系统中的存活对象很多,那么复制算法的效率就会大打折扣。理想状态下需要复制的存活对象数量并不会太大,或者说非常低才行。

在新生代,对常规应用的垃圾回收,一次通常可以回收 70% - 99% 的内存空间。回收性价比很高。所以现在的商业虚拟机都是用这种收集算法回收新生代。

垃圾清除阶段之标记-压缩算法

背景

复制算法的高效性是建立在存活对象少、垃圾对象多的前提下的。这种情况在新生代经常发生,但是在老年代,更常见的情况是大部分对象都是存活对象。如果依然使用复制算法,由于存活对象较多,复制的成本也将很高。因此,基于老年代垃圾回收的特性,需要使用其他的算法。

标记一清除算法的确可以应用在老年代中,但是该算法不仅执行效率低下,而且在执行完内存回收后还会产生内存碎片,所以 JvM 的设计者需要在此基础之上进行改进。标记-压缩(Mark-Compact)算法由此诞生。

1970 年前后,G.L.Steele、C.J.Chene 和 D.s.Wise 等研究者发布标记-压缩算法。在许多现代的垃圾收集器中,人们都使用了标记-压缩算法或其改进版本。

执行过程

第一阶段和标记清除算法一样,从根节点开始标记所有被引用对象。

第二阶段将所有的存活对象压缩到内存的一端,按顺序排放。之后,清理边界外所有的空间。

标记-清除和标记-压缩的区别
标记-压缩算法的最终效果等同于标记-清除算法执行完成后,再进行一次内存碎片整理,因此,也可以把它称为标记-清除-压缩(Mark-Sweep-Compact)算法

二者的本质差异在于标记-清除算法是一种非移动式的回收算法,标记-压缩是移动式的。是否移动回收后的存活对象是一项优缺点并存的风险决策。可以看到,标记的存活对象将会被整理,按照内存地址依次排列,而未被标记的内存会被清理掉。如此一来,当我们需要给新对象分配内存时,JVM 只需要持有一个内存的起始地址即可,这比维护一个空闲列表显然少了许多开销。

优点

  • 消除了标记-清除算法当中,内存区域分散的缺点,我们需要给新对象分配内存时,JVM 只需要持有一个内存的起始地址即可。
  • 消除了复制算法当中,内存减半的高额代价。

缺点

  • 从效率上来说,标记-整理算法要低于复制算法。
  • 移动对象的同时,如果对象被其他对象引用,则还需要调整引用的地址。
  • 移动过程中,需要全程暂停用户应用程序。即:STW。

小结

标记清除标记压缩复制
速率中等最慢最快
空间开销少(但会堆积碎片)少(不堆积碎片)通常需要活对象的 2 倍空间(不堆积碎片)
移动对象

效率上来说,复制算法是当之无愧的老大,但是却浪费了太多内存。

而为了尽量兼顾上面提到的三个指标,标记-整理算法相对来说更平滑一些,但是效率上不尽如人意,它比复制算法多了一个标记的阶段,比标记-清除多了一个整理内存的阶段。

分代收集算法

前面所有这些算法中,并没有一种算法可以完全替代其他算法,它们都具有自己独特的优势和特点。分代收集算法应运而生。

分代收集算法,是基于这样一个事实:不同的对象的生命周期是不一样的。因此,不同生命周期的对象可以采取不同的收集方式,以便提高回收效率。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使用不同的回收算法,以提高垃圾回收的效率。

在 Java 程序运行的过程中,会产生大量的对象,其中有些对象是与业务信息相关,比如Http请求中的Session对象、线程、Socket连接,这类对象跟业务直接挂钩,因此生命周期比较长。但是还有一些对象,主要是程序运行过程中生成的临时变量,这些对象生命周期会比较短,比如:String对象,由于其不变类的特性,系统会产生大量的这些对象,有些对象甚至只用一次即可回收。

目前几乎所有的GC都采用分代收集算法执行垃圾回收的。

在 HotSpot 中,基于分代的概念,GC 所使用的内存回收算法必须结合年轻代和老年代各自的特点。

  • 年轻代(Young Gen)

年轻代特点:区域相对老年代较小,对象生命周期短、存活率低,回收频繁。

这种情况复制算法的回收整理,速度是最快的。复制算法的效率只和当前存活对象大小有关,因此很适用于年轻代的回收。而复制算法内存利用率不高的问题,通过 hotspot 中的两个 survivor 的设计得到缓解。

  • 老年代(Tenured Gen)

老年代特点:区域较大,对象生命周期长、存活率高,回收不及年轻代频繁。

这种情况存在大量存活率高的对象,复制算法明显变得不合适。一般是由标记-清除或者是标记-清除与标记-整理的混合实现。

  • Mark 阶段的开销与存活对象的数量成正比。
  • Sweep 阶段的开销与所管理区域的大小成正相关。
  • Compact 阶段的开销与存活对象的数据成正比。

以 HotSpot 中的 CMS 回收器为例,CMS 是基于 Mark-Sweep 实现的,对于对象的回收效率很高。而对于碎片问题,CMS 采用基于 Mark-Compact 算法的 Serial old 回收器作为补偿措施:当内存回收不佳(碎片导致的 Concurrent Mode Failure 时),将采用 serial old 执行 FullGC 以达到对老年代内存的整理。

分代的思想被现有的虚拟机广泛使用。几乎所有的垃圾回收器都区分新生代和老年代.

增量收集算法

概述

上述现有的算法,在垃圾回收过程中,应用软件将处于一种stop the world的状态。在 stop the world 状态下,应用程序所有的线程都会挂起,暂停一切正常的工作,等待垃圾回收的完成。如果垃圾回收时间过长,应用程序会被挂起很久,将严重影响用户体验或者系统的稳定性。为了解决这个问题,即对实时垃圾收集算法的研究直接导致了增量收集(Incremental Collecting)算法的诞生。

如果一次性将所有的垃圾进行处理,需要造成系统长时间的停顿,那么就可以让垃圾收集线程和应用程序线程交替执行。每次,垃圾收集线程只收集一小片区域的内存空间,接着切换到应用程序线程。依次反复,直到垃圾收集完成。

总的来说,增量收集算法的基础仍是传统的标记-清除和复制算法。增量收集算法通过对线程间冲突的妥善处理,允许垃圾收集线程以分阶段的方式完成标记、清理或复制工作

缺点

使用这种方式,由于在垃圾回收过程中,间断性地还执行了应用程序代码,所以能减少系统的停顿时间。但是,因为线程切换和上下文转换的消耗,会使得垃圾回收的总体成本上升,造成系统吞吐量的下降

分区算法

一般来说,在相同条件下,堆空间越大,一次 Gc 时所需要的时间就越长,有关 GC 产生的停顿也越长。为了更好地控制 GC 产生的停顿时间,将一块大的内存区域分割成多个小块,根据目标的停顿时间,每次合理地回收若干个小区间,而不是整个堆空间,从而减少一次 GC 所产生的停顿。

分代算法将按照对象的生命周期长短划分成两个部分,分区算法将整个堆空间划分成连续的不同小区间。 每一个小区间都独立使用,独立回收。这种算法的好处是可以控制一次回收多少个小区间。

垃圾回收相关概念

System.gc()的理解

在默认情况下,通过 system.gc()或者 Runtime.getRuntime().gc() 的调用,会显式触发FullGC,同时对老年代和新生代进行回收,尝试释放被丢弃对象占用的内存。

然而 system.gc() 调用附带一个免责声明,无法保证对垃圾收集器的调用。(不能确保立即生效)

JVM 实现者可以通过 system.gc() 调用来决定 JVM 的 GC 行为。而一般情况下,垃圾回收应该是自动进行的,无须手动触发,否则就太过于麻烦了。在一些特殊情况下,如我们正在编写一个性能基准,我们可以在运行之间调用 System.gc()。

代码演示:

public class SystemGCTest {
    public static void main(String[] args) {
        new SystemGCTest();
        // 提醒JVM进行垃圾回收
        System.gc();
        //强制调用使用引用的对象的finalize()方法
        //System.runFinalization();
    }

    @Override
    protected void finalize() throws Throwable {
        super.finalize();
        System.out.println("执行了 finalize()方法");
    }
}

运行结果不一定会触发销毁的方法,调用 System.runFinalization()会强制调用 失去引用对象的 finalize()。

手动 GC 来理解不可达对象的回收

public class LocalVarGC {

    /**
     * 触发Minor GC没有回收对象,然后在触发Full GC将该对象存入old区
     */
    public void localvarGC1() {
        byte[] buffer = new byte[10*1024*1024];
        System.gc();
    }

    /**
     * 触发YoungGC的时候,已经被回收了
     */
    public void localvarGC2() {
        byte[] buffer = new byte[10*1024*1024];
        buffer = null;
        System.gc();
    }

    /**
     * 不会被回收,因为它还存放在局部变量表索引为1的槽中
     */
    public void localvarGC3() {
        {
            byte[] buffer = new byte[10*1024*1024];
        }
        System.gc();
    }

    /**
     * 会被回收,因为它还存放在局部变量表索引为1的槽中,但是后面定义的value把这个槽给替换了
     */
    public void localvarGC4() {
        {
            byte[] buffer = new byte[10*1024*1024];
        }
        int value = 10;
        System.gc();
    }

    /**
     * localvarGC5中的数组已经被回收
     */
    public void localvarGC5() {
        localvarGC1();
        System.gc();
    }

    public static void main(String[] args) {
        LocalVarGC localVarGC = new LocalVarGC();
        localVarGC.localvarGC3();
    }
}

内存溢出(OOM)

内存溢出相对于内存泄漏来说,尽管更容易被理解,但是同样的,内存溢出也是引发程序崩溃的罪魁祸首之一。

由于 GC 一直在发展,所有一般情况下,除非应用程序占用的内存增长速度非常快,造成垃圾回收已经跟不上内存消耗的速度,否则不太容易出现 OOM 的情况。

大多数情况下,GC 会进行各种年龄段的垃圾回收,实在不行了就放大招,来一次独占式的 Full GC 操作,这时候会回收大量的内存,供应用程序继续使用。

javadoc 中对 OutOfMemoryError 的解释是,没有空闲内存,并且垃圾收集器也无法提供更多内存

首先说没有空闲内存的情况:说明 Java 虚拟机的堆内存不够。原因如下:

  • Java 虚拟机的堆内存设置不够。

比如:可能存在内存泄漏问题;也很有可能就是堆的大小不合理,比如我们要处理比较可观的数据量,但是没有显式指定 JVM 堆大小或者指定数值偏小。我们可以通过参数-Xms 、-Xmx 来调整。

  • 代码中创建了大量大对象,并且长时间不能被垃圾收集器收集(存在被引用)

对于老版本的 oracle JDK,因为永久代的大小是有限的,并且 JVM 对永久代垃圾回收(如,常量池回收、卸载不再需要的类型)非常不积极,所以当我们不断添加新类型的时候,永久代出现 OutOfMemoryError 也非常多见,尤其是在运行时存在大量动态类型生成的场合;类似 intern 字符串缓存占用太多空间,也会导致 OOM 问题。对应的异常信息,会标记出来和永久代相关:“java.lang.OutOfMemoryError:PermGen space"。

随着元数据区的引入,方法区内存已经不再那么窘迫,所以相应的 OOM 有所改观,出现 OOM 的异常信息则变成了:“java.lang.OutOfMemoryError:Metaspace"。直接内存不足,也会导致 OOM。

这里面隐含着一层意思是,在抛出 OutofMemoryError 之前,通常垃圾收集器会被触发,尽其所能去清理出空间。

例如:在引用机制分析中,涉及到 JVM 会去尝试回收软引用指向的对象等。在 java.nio.BIts.reserveMemory()方法中,我们能清楚的看到,System.gc()会被调用,以清理空间。

当然,也不是在任何情况下垃圾收集器都会被触发的。比如,我们去分配一个超大对象,类似一个超大数组超过堆的最大值,JVM 可以判断出垃圾收集并不能解决这个问题,所以直接抛出 OutOfMemoryError。

内存泄露(Memory Leak)

严格来说,只有对象不会再被程序用到了,但是GC又不能回收他们的情况,才叫内存泄漏。

但实际情况很多时候一些不太好的实践(或疏忽)会导致对象的生命周期变得很长甚至导致 00M,也可以叫做宽泛意义上的“内存泄漏”。

尽管内存泄漏并不会立刻引起程序崩溃,但是一旦发生内存泄漏,程序中的可用内存就会被逐步蚕食,直至耗尽所有内存,最终出现 OutOfMemoryError,导致程序崩溃。

举例

  • 单例模式

单例的生命周期和应用程序是一样长的,所以单例程序中,如果持有对外部对象的引用的话,那么这个外部对象是不能被回收的,则会导致内存泄漏的产生。

  • 一些提供 close 的资源未关闭导致内存泄漏

数据库连接(dataSourse.getConnection() ),网络连接(socket)和 io 连接必须手动 close,否则是不能被回收的。

Stop-The-World

Stop-The-World,简称 STW,指的是 GC 事件发生过程中,会产生应用程序的停顿。停顿产生时整个应用程序线程都会被暂停,没有任何响应,有点像卡死的感觉,这个停顿称为 STW。

可达性分析算法中枚举根节点(GC Roots)会导致所有 Java 执行线程停顿。

  • 分析工作必须在一个能确保一致性的快照中进行。
  • 一致性指整个分析期间整个执行系统看起来像被冻结在某个时间点上。
  • 如果出现分析过程中对象引用关系还在不断变化,则分析结果的准确性无法保证。

被 STW 中断的应用程序线程会在完成 GC 之后恢复,频繁中断会让用户感觉像是网速不快造成电影卡带一样,所以我们需要减少 STW 的发生。

STW 事件和采用哪款 GC 无关,所有的 GC 都有这个事件。

哪怕是 G1 也不能完全避免 Stop-the-world 情况发生,只能说垃圾回收器越来越优秀,回收效率越来越高,尽可能地缩短了暂停时间。

STW 是 JVM 在后台自动发起和自动完成的。在用户不可见的情况下,把用户正常的工作线程全部停掉。

开发中不要用 System.gc(); 会导致 Stop-The-World 的发生。

垃圾回收的并行与并发

并发

在操作系统中,是指一个时间段中有几个程序都处于已启动运行到运行完毕之间,且这几个程序都是在同一个处理器上运行。

并发不是真正意义上的“同时进行”,只是 CPU 把一个时间段划分成几个时间片段(时间区间),然后在这几个时间区间之间来回切换,由于 CPU 处理的速度非常快,只要时间间隔处理得当,即可让用户感觉是多个应用程序同时在进行。

并行

当系统有一个以上 CPU 时,当一个 CPU 执行一个进程时,另一个 CPU 可以执行另一个进程,两个进程互不抢占 CPU 资源,可以同时进行,我们称之为并行(Parallel)。

其实决定并行的因素不是 CPU 的数量,而是 CPU 的核心数量,比如一个 CPU 多个核也可以并行。

适合科学计算,后台处理等弱交互场景。

并发和并行对比

并发,指的是多个事情,在同一时间段内同时发生了。

并行,指的是多个事情,在同一时间点上同时发生了。

并发的多个任务之间是互相抢占资源的。并行的多个任务之间是不互相抢占资源的。

只有在多 CPU 或者一个 CPU 多核的情况中,才会发生并行。

否则,看似同时发生的事情,其实都是并发执行的。

并发和并行,在谈论垃圾收集器的上下文语境中,它们可以解释如下:

并行(Parallel)

  • 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。如 ParNew、Parallel Scavenge、Parallel old;

串行(Serial)

  • 相较于并行的概念,单线程执行。如果内存不够,则程序暂停,启动 JM 垃圾回收器进行垃圾回收。回收完,再启动程序的线程。

并发(Concurrent)

用户线程与垃圾收集线程同时执行(但不一定是并行的,可能会交替执行),垃圾回收线程在执行时不会停顿用户程序的运行。>用户程序在继续运行,而垃圾收集程序线程运行于另一个 CPU 上;

如:CMS、G1

安全点与安全区域

安全点(Safepoint)

程序执行时并非在所有地方都能停顿下来开始 GC,只有在特定的位置才能停顿下来开始 GC,这些位置称为“安全点(Safepoint)”。

Safe Point 的选择很重要,如果太少可能导致GC等待的时间太长,如果太频繁可能导致运行时的性能问题。大部分指令的执行时间都非常短暂,通常会根据“是否具有让程序长时间执行的特征”为标准。比如:选择一些执行时间较长的指令作为 Safe Point,如方法调用、循环跳转和异常跳转等。

如何在 cc 发生时,检查所有线程都跑到最近的安全点停顿下来呢?

  • 抢先式中断:(目前没有虚拟机采用了)首先中断所有线程。如果还有线程不在安全点,就恢复线程,让线程跑到安全点。
  • 主动式中断:设置一个中断标志,各个线程运行到 Safe Point 的时候主动轮询这个标志,如果中断标志为真,则将自己进行中断挂起。(有轮询的机制)。

安全区域(Safe Region)

Safepoint 机制保证了程序执行时,在不太长的时间内就会遇到可进入 GC 的 Safepoint。但是,程序“不执行”的时候呢?例如线程处于 sleep 状态或 Blocked 状态,这时候线程无法响应 JVM 的中断请求,“走”到安全点去中断挂起,JVM 也不太可能等待线程被唤醒。对于这种情况,就需要安全区域(Safe Region)来解决。

安全区域是指在一段代码片段中,对象的引用关系不会发生变化,在这个区域中的任何位置开始 Gc 都是安全的。我们也可以把 Safe Region 看做是被扩展了的 Safepoint。

执行流程:

  1. 当线程运行到 Safe Region 的代码时,首先标识已经进入了 Safe Relgion,如果这段时间内发生 GC,JVM 会忽略标识为 Safe Region 状态的线程。
  2. 当线程即将离开 Safe Region 时,会检查 JVM 是否已经完成 GC,如果完成了,则继续运行,否则线程必须等待直到收到可以安全离开 Safe Region 的信号为止;

Java 中几种不同引用的概述

再谈引用

我们希望能描述这样一类对象:当内存空间还足够时,则能保留在内存中;如果内存空间在进行垃圾收集后还是很紧张,则可以抛弃这些对象。

【既偏门又非常高频的面试题】强引用、软引用、弱引用、虚引用有什么区别?具体使用场景是什么? 在 JDK1.2 版之后,Java 对引用的概念进行了扩充,将引用分为:

  • 强引用(Strong Reference)
  • 软引用(Soft Reference)
  • 弱引用(Weak Reference)
  • 虚引用(Phantom Reference)

这4种引用强度依次逐渐减弱。除强引用外,其他 3 种引用均可以在 java.lang.ref 包中找到它们的身影。如下图,显示了这 3 种引用类型对应的类,开发人员可以在应用程序中直接使用它们。

1.强引用(StrongReference)

最普遍的一种引用方式,如 String s = "abc",变量 s 就是字符串“abc”的强引用,只要强引用存在,则垃圾回收器就不会回收这个对象。

2.软引用(SoftReference)

用于描述还有用但非必须的对象,如果内存足够,不回收,如果内存不足,则回收。一般用于实现内存敏感的高速缓存,软引用可以和引用队列 ReferenceQueue 联合使用,如果软引用的对象被垃圾回收,JVM 就会把这个软引用加入到与之关联的引用队列中。

3.弱引用(WeakReference)

弱引用和软引用大致相同,弱引用与软引用的区别在于:只具有弱引用的对象拥有更短暂的生命周期。在垃圾回收器线程扫描它所管辖的内存区域的过程中,一旦发现了只具有弱引用的对象,不管当前内存空间足够与否,都会回收它的内存。

4.虚引用(PhantomReference)

就是形同虚设,与其他几种引用都不同,虚引用并不会决定对象的生命周期。如果一个对象仅持有虚引用,那么它就和没有任何引用一样,在任何时候都可能被垃圾回收器回收。 虚引用主要用来跟踪对象被垃圾回收器回收的活动。

虚引用与软引用和弱引用的一个区别在于:

虚引用必须和引用队列 (ReferenceQueue)联合使用。当垃圾回收器准备回收一个对象时,如果发现它还有虚引,就会在回收对象的内存之前,把这个虚引用加入到与之关联的引用队列中。

强引用(Strong Reference)

在 Java 程序中,最常见的引用类型是强引用(普通系统99%以上都是强引用),也就是我们最常见的普通对象引用,也是默认的引用类型

当在 Java 语言中使用 new 操作符创建一个新的对象,并将其赋值给一个变量的时候,这个变量就成为指向该对象的一个强引用。

强引用的对象是可触及的,垃圾收集器就永远不会回收掉被引用的对象。

对于一个普通的对象,如果没有其他的引用关系,只要超过了引用的作用域或者显式地将相应(强)引用赋值为 nu11,就是可以当做垃圾被收集了,当然具体回收时机还是要看垃圾收集策略。

相对的,软引用、弱引用和虚引用的对象是软可触及、弱可触及和虚可触及的,在一定条件下,都是可以被回收的。所以,强引用是造成Java内存泄漏的主要原因之一

强引用的案例说明

StringBuffer str = new StringBuffer("hello world");

局部变量 str 指向 stringBuffer 实例所在堆空间,通过 str 可以操作该实例,那么 str 就是 stringBuffer 实例的强引用。

对应内存结构:

如果此时,再运行一个赋值语句

StringBuffer str1 = str;

对应的内存结构为:

那么我们将 str = null; 则原来堆中的对象也不会被回收,因为还有其它对象指向该区域。

总结

本例中的两个引用,都是强引用,强引用具备以下特点:

  • 强引用可以直接访问目标对象。
  • 强引用所指向的对象在任何时候都不会被系统回收,虚拟机宁愿抛出 OOM 异常,也不会回收强引用所指向对象。
  • 强引用可能导致内存泄漏。

软引用(Soft Reference)

不足即回收

软引用是用来描述一些还有用,但非必需的对象。只被软引用关联着的对象,在系统将要发生内存溢出异常前,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。

第一次回收是不可达的对象。

软引用通常用来实现内存敏感的缓存。比如:高速缓存就有用到软引用。如果还有空闲内存,就可以暂时保留缓存,当内存不足时清理掉,这样就保证了使用缓存的同时,不会耗尽内存。

垃圾回收器在某个时刻决定回收软可达的对象的时候,会清理软引用,并可选地把引用存放到一个引用队列(Reference Queue)。

类似弱引用,只不过 Java 虚拟机会尽量让软引用的存活时间长一些,迫不得已才清理。

在 JDK1.2 版之后提供了 SoftReference 类来实现软引用

// 声明强引用
Object obj = new Object();
// 创建一个软引用
SoftReference<Object> sf = new SoftReference<>(obj);
obj = null; //销毁强引用

弱引用(Weak Reference)

发现即回收

弱引用也是用来描述那些非必需对象,被弱引用关联的对象只能生存到下一次垃圾收集发生为止。在系统 GC 时,只要发现弱引用,不管系统堆空间使用是否充足,都会回收掉只被弱引用关联的对象。

但是,由于垃圾回收器的线程通常优先级很低,因此,并不一定能很快地发现持有弱引用的对象。在这种情况下,弱引用对象可以存在较长的时间

弱引用和软引用一样,在构造弱引用时,也可以指定一个引用队列,当弱引用对象被回收时,就会加入指定的引用队列,通过这个队列可以跟踪对象的回收情况。

软引用、弱引用都非常适合来保存那些可有可无的缓存数据。如果这么做,当系统内存不足时,这些缓存数据会被回收,不会导致内存溢出。而当内存资源充足时,这些缓存数据又可以存在相当长的时间,从而起到加速系统的作用。

在 JDK1.2 版之后提供了 WeakReference 类来实现弱引用

// 声明强引用
Object obj = new Object();
// 创建一个弱引用
WeakReference<Object> sf = new WeakReference<>(obj);
obj = null; //销毁强引用

弱引用对象与软引用对象的最大不同就在于,当 GC 在进行回收时,需要通过算法检查是否回收软引用对象,而对于弱引用对象,GC 总是进行回收。弱引用对象更容易、更快被GC回收

虚引用(Phantom Reference)

对象回收跟踪

也称为“幽灵引用”或者“幻影引用”,是所有引用类型中最弱的一个。

一个对象是否有虚引用的存在,完全不会决定对象的生命周期。如果一个对象仅持有虚引用,那么它和没有引用几乎是一样的,随时都可能被垃圾回收器回收。

它不能单独使用,也无法通过虚引用来获取被引用的对象。当试图通过虚引用的 get()方法取得对象时,总是 null。

为一个对象设置虚引用关联的唯一目的在于跟踪垃圾回收过程。比如:能在这个对象被收集器回收时收到一个系统通知

虚引用必须和引用队列一起使用。虚引用在创建时必须提供一个引用队列作为参数。当垃圾回收器准备回收一个对象时,如果发现它还有虚引用,就会在回收对象后,将这个虚引用加入引用队列,以通知应用程序对象的回收情况。

由于虚引用可以跟踪对象的回收时间,因此,也可以将一些资源释放操作放置在虚引用中执行和记录。

虚引用无法获取到我们的数据

在 JDK1.2 版之后提供了 PhantomReference 类来实现虚引用。

// 声明强引用
Object obj = new Object();
// 声明引用队列
ReferenceQueue phantomQueue = new ReferenceQueue();
// 声明虚引用(还需要传入引用队列)
PhantomReference<Object> sf = new PhantomReference<>(obj, phantomQueue);
obj = null;

我们使用一个案例,来结合虚引用,引用队列,finalize() 方法进行讲解:

public class PhantomReferenceTest {

    // 当前类对象的声明
    public static PhantomReferenceTest obj;
    // 引用队列
    static ReferenceQueue<PhantomReferenceTest> phantomQueue = null;

    @Override
    protected void finalize() throws Throwable {
        super.finalize();
        System.out.println("调用当前类的finalize方法");
        obj = this;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Thread thread = new Thread(() -> {
            while (true) {
                if (phantomQueue != null) {
                    PhantomReference<PhantomReferenceTest> objt = null;
                    try {
                        objt = (PhantomReference<PhantomReferenceTest>) phantomQueue.remove();
                    } catch (Exception e) {
                        e.getStackTrace();
                    }
                    if (objt != null) {
                        System.out.println("追踪垃圾回收过程:PhantomReferenceTest实例被GC了");
                    }
                }
            }
        }, "t1");
        thread.setDaemon(true);
        thread.start();

        phantomQueue = new ReferenceQueue<>();
        obj = new PhantomReferenceTest();
        // 构造了PhantomReferenceTest对象的虚引用,并指定了引用队列
        PhantomReference<PhantomReferenceTest> phantomReference = new PhantomReference<>(obj, phantomQueue);
        try {
            System.out.println(phantomReference.get());
            // 去除强引用
            obj = null;
            // 第一次进行GC,由于对象可复活,GC无法回收该对象
            System.out.println("第一次GC操作");
            System.gc();
            Thread.sleep(1000);
            if (obj == null) {
                System.out.println("obj 是 null");
            } else {
                System.out.println("obj 可用");
            }
            System.out.println("第二次GC操作");
            obj = null;
            System.gc();
            Thread.sleep(1000);
            if (obj == null) {
                System.out.println("obj 是 null");
            } else {
                System.out.println("obj 可用");
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {

        }
    }
}

运行结果:

null
第一次GC操作
调用当前类的finalize方法
obj 可用
第二次GC操作
追踪垃圾回收过程:PhantomReferenceTest实例被GC了
obj 是 null

终结器引用

它用于实现对象的 finalize() 方法,也可以称为终结器引用。

无需手动编码,其内部配合引用队列使用。

在 GC 时,终结器引用入队。由 Finalizer 线程通过终结器引用找到被引用对象调用它的 finalize()方法,第二次 GC 时才回收被引用的对象。

垃圾回收器

概述

  • 垃圾收集器没有在规范中进行过多的规定,可以由不同的厂商、不同版本的 JVM 来实现。
  • 由于 JDK 的版本处于高速迭代过程中,因此 Java 发展至今已经衍生了众多的 GC 版本。
  • 从不同角度分析垃圾收集器,可以将 GC 分为不同的类型。

垃圾回收器分类

线程数分,可用分为串行垃圾回收器和并行垃圾回收器。

串行回收指的是在同一时间段内只允许有一个 CPU 用于执行垃圾回收操作,此时工作线程被暂停,直至垃圾收集工作结束。

  • 在诸如单 CPU 处理器或者较小的应用内存等硬件平台不是特别优越的场合,串行回收器的性能表现可以超过并行回收器和并发回收器。所以,串行回收默认被应用在客户端的Client模式下的JVM中
  • 在并发能力比较强的 CPU 上,并行回收器产生的停顿时间要短于串行回收器。

和串行回收相反,并行收集可以运用多个 CPU 同时执行垃圾回收,因此提升了应用的吞吐量,不过并行回收仍然与串行回收一样,采用独占式,使用了“Stop-The-World”机制。

按照工作模式分,可以分为并发式垃圾回收器和独占式垃圾回收器。

  • 并发式垃圾回收器与应用程序线程交替工作,以尽可能减少应用程序的停顿时间。
  • 独占式垃圾回收器(Stop-The-World)一旦运行,就停止应用程序中的所有用户线程,直到垃圾回收过程完全结束。

碎片处理方式分,可分为压缩武垃圾回收器和非压缩式垃圾回收器。

  • 压缩式垃圾回收器会在回收完成后,对存活对象进行压缩整理,消除回收后的碎片,使用指针碰撞进行分配。
  • 非压缩式的垃圾回收器不进行这步操作,使用空闲列表进行分配。

工作的内存区间分,又可分为年轻代垃圾回收器和老年代垃圾回收器。

评估 GC 的性能指标

  • 吞吐量:运行用户代码的时间占总运行时间的比例(总运行时间 = 程序的运行时间 + 内存回收的时间)。
  • 垃圾收集开销:吞吐量的补数,垃圾收集所用时间与总运行时间的比例。
  • 暂停时间:执行垃圾收集时,程序的工作线程被暂停的时间。
  • 收集频率:相对于应用程序的执行,收集操作发生的频率。
  • 内存占用:Java 堆区所占的内存大小。
  • 快速:一个对象从诞生到被回收所经历的时间。

吞吐量、暂停时间、内存占用 这三者共同构成一个“不可能三角”。三者总体的表现会随着技术进步而越来越好。一款优秀的收集器通常最多同时满足其中的两项。

这三项里,暂停时间的重要性日益凸显。因为随着硬件发展,内存占用多些越来越能容忍,硬件性能的提升也有助于降低收集器运行时对应用程序的影响,即提高了吞吐量。而内存的扩大,对延迟反而带来负面效果。 简单来说,主要抓住两点:

  • 吞吐量
  • 暂停时间

性能指标:吞吐量

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)。

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

这种情况下,应用程序能容忍较高的暂停时间,因此,高吞吐量的应用程序有更长的时间基准,快速响应是不必考虑的。

吞吐量优先,意味着在单位时间内,STW 的时间最短:0.2+0.2=0.4

性能指标:暂停时间

“暂停时间”是指一个时间段内应用程序线程暂停,让 GC 线程执行的状态。

例如,GC 期间 100 毫秒的暂停时间意味着在这 100 毫秒期间内没有应用程序线程是活动的。暂停时间优先,意味着尽可能让单次 STW 的时间最短:0.1+0.1 + 0.1+ 0.1+ 0.1=0.5

吞吐量 VS 暂停时间

  • 高吞吐量较好因为这会让应用程序的最终用户感觉只有应用程序线程在做“生产性”工作。直觉上,吞吐量越高程序运行越快。
  • 低暂停时间(低延迟)较好因为从最终用户的角度来看不管是 GC 还是其他原因导致一个应用被挂起始终是不好的。这取决于应用程序的类型,有时候甚至短暂的200毫秒暂停都可能打断终端用户体验。因此,具有低的较大暂停时间是非常重要的,特别是对于一个交互式应用程序
  • 不幸的是”高吞吐量”和”低暂停时间”是一对相互竞争的目标(矛盾)。

    • 因为如果选择以吞吐量优先,那么必然需要降低内存回收的执行频率,但是这样会导致 GC 需要更长的暂停时间来执行内存回收。
    • 相反的,如果选择以低延迟优先为原则,那么为了降低每次执行内存回收时的暂停时间,也只能频繁地执行内存回收,但这又引起了年轻代内存的缩减和导致程序吞吐量的下降。

在设计(或使用)GC 算法时,我们必须确定我们的目标:一个 GC 算法只可能针对两个目标之一(即只专注于较大吞吐量或最小暂停时间),或尝试找到一个二者的折衷。

现在标准:在最大吞吐量优先的情况下,降低停顿时间

不同的垃圾回收器概述

7 种经典的垃圾收集器

  • 串行回收器:Serial、Serial Old
  • 并行回收器:ParNew、Parallel Scavenge、Parallel Old
  • 并发回收器:CMS、G1

7 种经典的垃圾收集器与垃圾分代之间的关系

  • 新年代收集器:Serial、ParNew、Parallel Scavenge。
  • 老年代收集器:Serial Old、Parallel Old、CMS。
  • 整堆收集器:G1。

垃圾收集器的组合关系

  • 两个收集器间有连线,表明它们可以搭配使用:Serial/Serial Old、Serial/CMS、ParNew/Serial Old、ParNew/CMS、Parallel Scavenge/Serial Old、Parallel Scavenge/Parallel Old、G1;
  • 其中 Serial Old 作为 CMS 出现"Concurrent Mode Failure"失败的后备预案。
  • (红色虚线)由于维护和兼容性测试的成本,在 JDK 8 时将 Serial+CMS、ParNew+Serial Old 这两个组合声明为废弃(JEP173),并在 JDK9 中完全取消了这些组合的支持(JEP214),即:移除。
  • (绿色虚线)JDK14 中:弃用 Parallel Scavenge 和 Serial Old GC 组合(JEP366)
  • (青色虚线)JDK14 中:删除 CMS 垃圾回收器(JEP363)。

为什么要有很多收集器,一个不够吗?因为 Java 的使用场景很多,移动端,服务器等。所以就需要针对不同的场景,提供不同的垃圾收集器,提高垃圾收集的性能。

虽然我们会对各个收集器进行比较,但并非为了挑选一个最好的收集器出来。没有一种放之四海皆准、任何场景下都适用的完美收集器存在,更加没有万能的收集器。所以我们选择的只是对具体应用最合适的收集器。

如何查看默认垃圾收集器

-XX:+PrintcommandLineFlags:查看命令行相关参数(包含使用的垃圾收集器)

使用命令行指令:jinfo -flag 相关垃圾回收器参数 进程 ID

Serial 回收器:串行回收

  • Serial 收集器是最基本、历史最悠久的垃圾收集器了。JDK1.3 之前回收新生代唯一的选择。
  • Serial 收集器作为 HotSpot 中 Client 模式下的默认新生代垃圾收集器。
  • Serial收集器采用复制算法、串行回收和“Stop-The-World”机制的方式执行内存回收
  • 除了年轻代之外,Serial 收集器还提供用于执行老年代垃圾收集的 Serial Old 收集器。Serial Old收集器也采用了串行回收和“Stop-The-World”机制,只不过内存回收算法使用的是标记-压缩算法
  • Serial Old 是运行在 Client 模式下默认的老年代垃圾回收器。
  • Serial Old 在 server 模式下主要由两个用途:

    • 与新生代的 Parallel Scavenge 配合使用。
    • 作为老年代 CMS 收集器的后备垃圾收集方案。

这个收集器是一个单线程的收集器,但它的“单线程”的意义并不仅仅说明它只会使用一个 CPU 或一条收集线程去完成垃圾收集工作,更重要的是在它进行垃圾收集时,必须暂停其他所有的工作线程,直到它收集结束(Stop The World)

优势:简单而高效(与其他收集器的单线程比),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。

运行在 client 模式下的虚拟机是个不错的选择。

在用户的桌面应用场景中,可用内存一般不大(几十 MB 至一两百 MB),可以在较短时间内完成垃圾收集(几十 ms 至一百多 ms),只要不频繁发生,使用串行回收器是可以接受的。

在 HotSpot 虚拟机中,使用-XX:+UseSerialGC 参数可以指定年轻代和老年代都使用串行收集器。

等价于新生代用 Serial GC,且老年代用 Serial old GC。

总结

这种垃圾收集器大家了解,现在已经不用串行的了。而且在限定单核 cpu 才可以用。现在都不是单核的了。

对于交互较强的应用而言,这种垃圾收集器是不能接受的。一般在 Java web 应用程序中是不会采用串行垃圾收集器的。

ParNew 回收器:并行回收

如果说 serialGC 是年轻代中的单线程垃圾收集器,那么 ParNew 收集器则是 serial 收集器的多线程版本。

Par 是 Parallel 的缩写,New:只能处理的是新生代。

ParNew 收集器除了采用并行回收的方式执行内存回收外,两款垃圾收集器之间几乎没有任何区别。ParNew 收集器在年轻代中同样也是采用复制算法、"Stop-The-World"机制

ParNew 是很多 JVM 运行在 Server 模式下新生代的默认垃圾收集器。

  • 对于新生代,回收次数频繁,使用并行方式高效。
  • 对于老年代,回收次数少,使用串行方式节省资源。(CPU 并行需要切换线程,串行可以省去切换线程的资源)。

目前只有 ParNew GC 能与 CMS 收集器配合工作

在程序中,开发人员可以通过选项"-XX:+UseParNewGC"手动指定使用 ParNew 收集器执行内存回收任务。它表示年轻代使用并行收集器,不影响老年代。

-XX:ParallelGCThreads 限制线程数量,默认开启和 CPU 数据相同的线程数。

Parallel 回收器:吞吐量优先

HotSpot 的年轻代中除了拥有 ParNew 收集器是基于并行回收的以外,Parallel Scavenge 收集器同样也采用了复制算法、并行回收和"Stop The World"机制

那么 Parallel 收集器的出现是否多此一举?

  • 和 ParNew 收集器不同,Parallel Scavenge 收集器的目标则是达到一个可控制的吞吐量(Throughput),它也被称为吞吐量优先的垃圾收集器。
  • 自适应调节策略也是 Parallel Scavenge 与 ParNew 一个重要区别。

高吞吐量则可以高效率地利用 CPU 时间,尽快完成程序的运算任务,主要适合在后台运算而不需要太多交互的任务。因此,常见在服务器环境中使用。例如,那些执行批量处理、订单处理、工资支付、科学计算的应用程序。

Parallel 收集器在 JDK1.6 时提供了用于执行老年代垃圾收集的 Parallel Old 收集器,用来代替老年代的 Serial Old 收集器。

Parallel Old 收集器采用了标记-压缩算法,但同样也是基于并行回收和"Stop-The-World"机制

在程序吞吐量优先的应用场景中,Parallel 收集器和 Parallel Old 收集器的组合,在 server 模式下的内存回收性能很不错。在 Java8 中,默认是此垃圾收集器。

参数配置

  • -XX:+UseParallelGC 手动指定年轻代使用 Parallel 并行收集器执行内存回收任务。
  • -XX:+UseParallelOldGC 手动指定老年代使用并行回收收集器。

    • 分别适用于新生代和老年代,默认 JDK8 是开启的。
    • 上面两个参数,默认开启一个后,另一个也会被开启(互相激活)。
  • -XX:ParallelGCThreads 设置年轻代并行收集器的线程数。一般最好与 CPU 数量相等,以避免过多的线程数影响垃圾收集性能。

    • 在默认情况下,当 CPU 数量小于 8 个,ParallelGcThreads 的值等于 CPU 数量。
    • 当 CPU 数量大于 8 个,ParallelGCThreads 的值等于 3+[5*CPU Count]/8]。
  • -XX:MaxGCPauseMillis 设置垃圾收集器最大停顿时间(即 STW 的时间)。单位是毫秒。

    • 为了尽可能的把停顿时间控制在 MaxGCPauseMillis 以内,收集器在工作时会调整 Java 堆大小或者其它一些参数。
    • 对于用户来说,停顿时间越短体验越好。但是在服务端,我们注重高并发,整体的吞吐量,所以服务器端适合 Parallel ,进行控制。
    • 需要谨慎使用该参数
  • -XX:GCTimeRatio 垃圾收集时间占总时间的比例(= 1 / (N + 1))。

    • 用于衡量吞吐量的大小。取值范围(0,100)。默认值 99,也就是垃圾回收时间不超过 1%。
    • 与前一个-xx:MaxGCPauseMillis 参数有一定矛盾性。暂停时间越长,Radio 参数就容易超过设定的比例。
  • -XX:+UseAda[tiveSizePolicy 设置 Parallel Scavenge 收集器具有自适应调节策略

    • 在这种模式下,年轻代的大小、Eden 和 Survivor 的比例、晋升老年代的对象年龄等参数会被自动调整,已达到在堆大小、吞吐量和停顿时间之间的平衡点。
    • 在手动调优比较困难的场合,可以直接使用这种自适应的方式,仅指定虚拟机的最大堆、目标的吞吐量(GCTimeRatio)和停顿时间(MaxGCPauseMillis),让虚拟机自己完成调优工作。

CMS 回收器:低延迟

在 JDK1.5 时期,Hotspot 推出了一款在强交互应用中几乎可认为有划时代意义的垃圾收集器:cMS(Concurrent-Mark-Sweep)收集器,这款收集器是HotSpot虚拟机中第一款真正意义上的并发收集器,它第一次实现了让垃圾收集线程与用户线程同时工作

CMS 收集器的关注点是尽可能缩短垃圾收集时用户线程的停顿时间。停顿时间越短(低延迟)就越适合与用户交互的程序,良好的响应速度能提升用户体验。

目前很大一部分的 Java 应用集中在互联网站或者 B/S 系统的服务端上,这类应用尤其重视服务的响应速度,希望系统停顿时间最短,以给用户带来较好的体验。CMS 收集器就非常符合这类应用的需求。

CMS 的垃圾收集算法采用标记-清除算法,并且也会"Stop-The-World"。

不幸的是,CMS 作为老年代的收集器,却无法与 JDK1.4.0 中已经存在的新生代收集器 Parallel Scavenge 配合工作,所以在 JDK1.5 中使用 CMS 来收集老年代的时候,新生代只能选择 ParNew 或者 Serial 收集器中的一个。

在 G1 出现之前,CMS 使用还是非常广泛的。一直到今天,仍然有很多系统使用 CMS GC。

CMS 整个过程比之前的收集器要复杂,整个过程分为 4 个主要阶段,即初始标记阶段、并发标记阶段、重新标记阶段和并发清除阶段。(涉及 STW 的阶段主要是:初始标记 和 重新标记)

  • 初始标记(Initial-Mark)阶段:在这个阶段中,程序中所有的工作线程都将会因为"Stop-The-World"机制而出现短暂的暂停,这个阶段的主要任务仅仅只是标记GC Roots能直接关联到的对象。一旦标记完成之后就会恢复之前被暂停的所有应用线程,由于直接关联对象比较小,所以这个阶段速度非常快
  • 并发标记(Concurrent-Mark)阶段:从 GC Roots 的直接关联对象开始遍历整个对象图的过程,这个过程耗时较长但是不需要停顿用户线程,可以与垃圾收集线程一起并发运行。
  • 重新标记(Remark)阶段:由于在并发标记阶段中,程序的工作线程会和垃圾收集线程同时运行或者交叉运行,因此为了修正并发标记期间,因用户程序继续运作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通常会比初始标记阶段稍长一些,但也远比并发标记阶段的时间短。
  • 并发清除(Concurrent-Sweep)阶段:此阶段清理删除掉标记阶段判断的已经死亡的对象,释放内存空间。由于不需要移动存活对象,所以这个阶段也是可以与用户线程同时并发的。

尽管 CMS 收集器采用的是并发回收(非独占式),但是在其初始化标记和再次标记这两个阶段中仍然需要执行“Stop-the-World”机制暂停程序中的工作线程,不过暂停时间并不会太长,因此可以说明目前所有的垃圾收集器都做不到完全不需要“Stop-The-World”,只是尽可能地缩短暂停时间。

由于最耗费时间的并发标记与并发清除阶段都不需要暂停工作,所以整体的回收是低停顿的。

另外,由于在垃圾收集阶段用户线程没有中断,所以在CMS回收过程中,还应该确保应用程序用户线程有足够的内存可用。因此,CMS 收集器不能像其他收集器那样等到老年代几乎完全被填满了再进行收集,而是当堆内存使用率达到某一阈值时,便开始进行回收,以确保应用程序在 CMS 工作过程中依然有足够的空间支持应用程序运行。要是 CMS 运行期间预留的内存无法满足程序需要,就会出现一次“Concurrent Mode Failure” 失败,这时虚拟机将启动后备预案:临时启用 Serial Old 收集器来重新进行老年代的垃圾收集,这样停顿时间就很长了。

CMS 收集器的垃圾收集算法采用的是标记清除算法,这意味着每次执行完内存回收后,由于被执行内存回收的无用对象所占用的内存空间极有可能是不连续的一些内存块,不可避免地将会产生一些内存碎片。那么 CMS 在为新对象分配内存空间时,将无法使用指针碰撞(Bump the Pointer)技术,而只能够选择空闲列表(Free List)执行内存分配。

CMS 为什么不使用标记压缩算法?

答案其实很简答,因为当并发清除的时候,用 Compact 整理内存的话,原来的用户线程使用的内存还怎么用呢?要保证用户线程能继续执行,前提的它运行的资源不受影响。Mark Compact 更适合“Stop The World” 这种场景下使用。

优点

  • 并发收集
  • 低延迟

缺点

  • 会产生内存碎片,导致并发清除后,用户线程可用的空间不足。在无法分配大对象的情况下,不得不提前触发 FullGC。
  • CMS收集器对CPU资源非常敏感。在并发阶段,它虽然不会导致用户停顿,但是会因为占用了一部分线程而导致应用程序变慢,总吞吐量会降低。
  • CMS收集器无法处理浮动垃圾。可能出现“Concurrent Mode Failure"失败而导致另一次 Full GC 的产生。在并发标记阶段由于程序的工作线程和垃圾收集线程是同时运行或者交叉运行的,那么在并发标记阶段如果产生新的垃圾对象,CMS 将无法对这些垃圾对象进行标记,最终会导致这些新产生的垃圾对象没有被及时回收,从而只能在下一次执行 GC 时释放这些之前未被回收的内存空间。

参数配置

  • -XX:+UseConcMarkSweepGC 手动指定使用 CMS 收集器执行内存回收任务。开启该参数后会自动将-XX:+UseParNewGC 打开。即:ParNew(Young 区用)+CMS(Old 区用)+Serial Old 的组合。
  • -XX:CMSInitiatingoccupanyFraction 设置堆内存使用率的阈值,一旦达到该阈值,便开始进行回收。

    JDK5 及以前版本的默认值为 68,即当老年代的空间使用率达到 68%时,会执行一次 CMS 回收。JDK6 及以上版本默认值为 92%

    如果内存增长缓慢,则可以设置一个稍大的值,大的阀值可以有效降低 CMS 的触发频率,减少老年代回收的次数可以较为明显地改善应用程序性能。反之,如果应用程序内存使用率增长很快,则应该降低这个阈值,以避免频繁触发老年代串行收集器。因此通过该选项便可以有效降低 Full GC 的执行次数

  • -XX:+UseCMSCompactAtFullCollection 用于指定在执行完 Full GC 后对内存空间进行压缩整理,以此避免内存碎片的产生。不过由于内存压缩整理过程无法并发执行,所带来的问题就是停顿时间变得更长了。
  • -XX:CMSFullGCsBeforecompaction 设置在执行多少次 Full GC 后对内存空间进行压缩整理。
  • -XX:ParallelCMSThreads 设置 CMS 的线程数量。

    CMS 默认启动的线程数是(ParallelGCThreads+3)/4,ParallelGCThreads 是年轻代并行收集器的线程数。当 CPU 资源比较紧张时,受到 CMS 收集器线程的影响,应用程序的性能在垃圾回收阶段可能会非常糟糕。

小结

HotSpot 有这么多的垃圾回收器,那么如果有人问,Serial GC、Parallel GC、Concurrent Mark Sweep GC 这三个 GC 有什么不同呢?

请记住以下口令:

  • 如果你想要最小化地使用内存和并行开销,请选 Serial GC。
  • 如果你想要最大化应用程序的吞吐量,请选 Parallel GC。
  • 如果你想要最小化 GC 的中断或停顿时间,请选 CMS GC。

G1 回收器:区域分代化

既然我们已经有了前面几个强大的 GC,为什么还要发布 Garbage First(G1)?

原因就在于应用程序所应对的业务越来越庞大、复杂,用户越来越多,没有 GC 就不能保证应用程序正常进行,而经常造成 STW 的 GC 又跟不上实际的需求,所以才会不断地尝试对 GC 进行优化。G1(Garbage-First)垃圾回收器是在 Java7 update4 之后引入的一个新的垃圾回收器,是当今收集器技术发展的最前沿成果之一。

与此同时,为了适应现在不断扩大的内存和不断增加的处理器数量,进一步降低暂停时间(pause time),同时兼顾良好的吞吐量。

官方给 G1 设定的目标是在延迟可控的情况下获得尽可能高的吞吐量,所以才担当起“全功能收集器”的重任与期望。

为什么名字叫 Garbage First(G1)呢?

因为 G1 是一个并行回收器,它把堆内存分割为很多不相关的区域(Region)(物理上不连续的)。使用不同的 Region 来表示 Eden、幸存者 0 区,幸存者 1 区,老年代等。

G1 GC 有计划地避免在整个 Java 堆中进行全区域的垃圾收集。G1 跟踪各个 Region 里面的垃圾堆积的价值大小(回收所获得的空间大小以及回收所需时间的经验值),在后台维护一个优先列表,每次根据允许的收集时间,优先回收价值最大的 Region。

由于这种方式的侧重点在于回收垃圾最大量的区间(Region),所以我们给 G1 一个名字:垃圾优先(Garbage First)。

G1(Garbage-First)是一款面向服务端应用的垃圾收集器,主要针对配备多核 CPU 及大容量内存的机器,以极高概率满足 GC 停顿时间的同时,还兼具高吞吐量的性能特征。

在 JDK1.7 版本正式启用,移除了 Experimental 的标识,是 JDK9 以后的默认垃圾回收器,取代了 CMS 回收器以及 Parallel+Parallel Old 组合。被 oracle 官方称为“全功能的垃圾收集器”。

与此同时,CMS 已经在 JDK9 中被标记为废弃(deprecated)。在 jdk8 中还不是默认的垃圾回收器,需要使用-XX:+UseG1GC 来启用。

G1 垃圾收集器的优点

与其他 GC 收集器相比,G1 使用了全新的分区算法,其特点如下所示:

并行与并发

  • 并行性:G1 在回收期间,可以有多个 GC 线程同时工作,有效利用多核计算能力。此时用户线程 STW。
  • 并发性:G1 拥有与应用程序交替执行的能力,部分工作可以和应用程序同时执行,因此,一般来说,不会在整个回收阶段发生完全阻塞应用程序的情况。

分代收集

  • 从分代上看,G1依然属于分代型垃圾回收器,它会气氛年轻代和老年代,年轻代依然有 Eden 区和 Survivor 区,但从堆结构上看,它不要求整个 Eden 区、年轻代、或者老年代都是连续的,也不再坚持固定大小和固定数量。
  • 堆空间分为若干个区域(Region),这些区域中包含了逻辑上的年轻代和老年代。
  • 和之前的各类回收器不同,它同时兼顾年轻代和老年代。对比其它收集器,或者工作在年轻代,或者工作在老年代。

G1 的分代,已经不是下面这样的了

而是如下图这样的一个区域

空间整合

  • CMS:“标记-清除” 算法、内存碎片、若干次 GC 后进行一次碎片整理。
  • G1 将内存划分为一个个 region。内存的回收是以 region 作为基本单位的。Region之间使用的是复制算法,但整体上实际可看作是标记-压缩(Mark-Compact)算法,两种算法都可以避免内存碎片,这种特性有利于程序长时间运行,分配大对象时不会因为无法找到连续内存空间而提前触发 GC,尤其是当 Java 堆非常大的时候,G1 的优势更加明显。

可预测的停顿时间模型(即:软实时 soft real-time)

这是 G1 相对于 CMS 的另一大优势,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 M 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。

  • 由于分区的原因,G1 可以只选取部分区域进行内存回收,这样缩小了回收的范围,因此对于全局停顿情况的发生也能得到较好的控制。
  • G1 跟踪各个 Region 里面的垃圾堆积的价值大小(回收所获得的空间大小以及回收所需时间的经验值),在后台维护一个优先列表,每次根据允许的收集时间,优先回收价值最大的 Region。保证了 G1 收集器在有限的时间内可以获取尽可能高的收集效率。
  • 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。

G1 垃圾收集器的缺点

相较于 CMS,G1 还不具备全方位、压倒性优势。比如在用户程序运行过程中,G1 无论是为了垃圾收集产生的内存占用(Footprint)还是程序运行时的额外执行负载(overload)都要比 CMS 要高。

从经验上来说,在小内存应用上 CMS 的表现大概率会优于 G1,而 G1 在大内存应用上则发挥其优势。平衡点在 6-8GB 之间。

G1 参数设置

  • -XX:+UseG1GC:手动指定使用 G1 垃圾收集器执行内存回收任务。
  • -XX:G1HeapRegionSize设置每个 Region 的大小。值是 2 的幂,范围是 1MB 到 32MB 之间,目标是根据最小的 Java 堆大小划分出约 2048 个区域。默认是堆内存的 1/2000。
  • -XX:MaxGCPauseMillis 设置期望达到的最大 Gc 停顿时间指标(JVM 会尽力实现,但不保证达到)。默认值是 200ms。
  • -XX:+ParallelGcThread 设置 STW 工作线程数的值。最多设置为 8。
  • -XX:ConcGCThreads 设置并发标记的线程数。将 n 设置为并行垃圾回收线程数(ParallelGcThreads)的 1/4 左右。
  • -XX:InitiatingHeapoccupancyPercent 设置触发并发 Gc 周期的 Java 堆占用率阈值。超过此值,就触发 GC。默认值是 45。

G1 收集器的常见操作步骤

G1 的设计原则就是简化 JVM 性能调优,开发人员只需要简单的三步即可完成调优:

第一步:开启 G1 垃圾收集器
第二步:设置堆的最大内存
第三步:设置最大的停顿时间
G1 中提供了三种垃圾回收模式:Young GC、Mixed GC 和 Full GC,在不同的条件下被触发。

G1 收集器的适用场景

  • 面向服务端应用,针对具有大内存、多处理器的机器。(在普通大小的堆里表现并不惊喜)
  • 最主要的应用是需要低 GC 延迟,并具有大堆的应用程序提供解决方案;
  • 如:在堆大小约 6GB 或更大时,可预测的暂停时间可以低于 0.5 秒;(G1 通过每次只清理一部分而不是全部的 Region 的增量式清理来保证每次 GC 停顿时间不会过长)。
  • 用来替换掉 JDK1.5 中的 CMS 收集器;在下面的情况时,使用 G1 可能比 CMS 好:

    • 超过 50% 的 Java 堆被活动数据占用;
    • 对象分配频率或年代提升频率变化很大;
    • GC 停顿时间过长(长于 0.5 至 1 秒)
  • HotSpot 垃圾收集器里,除了 G1 以外,其他的垃圾收集器使用内置的 JVM 线程执行 GC 的多线程操作,而 G1 GC 可以采用应用线程承担后台运行的 GC 工作,即当 JVM 的 GC 线程处理速度慢时,系统会调用应用程序线程帮助加速垃圾回收过程。

分区 Region:化整为零

使用 G1 收集器时,它将整个 Java 堆划分成约 2048 个大小相同的独立 Region 块,每个 Region 块大小根据堆空间的实际大小而定,整体被控制在 1MB 到 32MB 之间,且为 2 的 N 次幂,即 1MB,2MB,4MB,8MB,16MB,32MB。可以通过 XX:G1HeapRegionsize 设定。所有的Region大小相同,且在JVM生命周期内不会被改变。

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离的了,它们都是一部分 Region(不需要连续)的集合。通过 Region 的动态分配方式实现逻辑上的连续。

一个 region 有可能属于 Eden,Survivor 或者 old/Tenured 内存区域。但是一个 region 只可能属于一个角色。图中的 E 表示该 region 属于 Eden 内存区域,s 表示属于 survivor 内存区域,o 表示属于 Old 内存区域。图中空白的表示未使用的内存空间。

G1 垃圾收集器还增加了一种新的内存区域,叫做 Humongous 内存区域,如图中的 H 块。主要用于存储大对象,如果超过 1.5 个 region,就放到 H。

设置 H 的原因

对于堆中的大对象,默认直接会被分配到老年代,但是如果它是个短期存在的大对象,就会对垃圾收集器造成负面影响。为了解决这个问题,G1 划分了一个 Humongous 区,它用来专门存放大对象。如果一个 H 区装不下一个大对象,那么 G1 会寻找连续的 H 区来存储。为了能找到连续的H区,有时候不得不启动 Full GC 。G1 的大多数行为都把 H 区作为老年代的一部分来看待。

每个 Region 都是通过指针碰撞来分配空间,还可以为每个线程分配 TLAB。

G1 垃圾回收器的回收过程

G1 GC 的垃圾回收过程主要包括如下三个环节:

  • 年轻代 GC(Young GC)
  • 老年代并发标记过程(Concurrent Marking)
  • 混合回收(Mixed GC)
  • 如果需要,单线程、独占式、高强度的 Full GC 还是继续存在的。它针对 GC 的评估失败提供了一种失败保护机制,即强力回收。

应用程序分配内存,当年轻代的Eden区用尽时开始年轻代回收过程;G1 的年轻代收集阶段是一个并行独占式收集器。在年轻代回收期,G1 GC 暂停所有应用程序线程,启动多线程执行年轻代回收。然后从年轻代区间移动存活对象到Survivor区间或者老年区间,也有可能是两个区间都会涉及

当堆内存使用达到一定值(默认 45%)时,开始老年代并发标记过程。

标记完成马上开始混合回收过程。对于一个混合回收期,G1 GC 从老年区间移动存活对象到空闲区间,这些空闲区间也就成为了老年代的一部分。和年轻代不同,老年代的 G1 回收器和其他 GC 不同,G1 的老年代回收器不需要整个老年代被回收,一次只需要扫描/回收一小部分老年代的 Region 就可以了。同时,这个老年代 Region 是和年轻代一起被回收的。

Remembered Set(记忆集)

一个对象被不同区域引用的问题

一个 Region 不可能是孤立的,一个 Region 中的对象可能被其他任意 Region 中对象引用,判断对象存活时,是否需要扫描整个 Java 堆才能保证准确?

在其他的分代收集器,也存在这样的问题(而 G1 更突出)回收新生代也不得不同时扫描老年代?这样的话会降低 MinorGC 的效率;

解决方法:

  • 无论 G1 还是其他分代收集器,JVM 都是使用 Remembered Set 来避免全局扫描:
  • 每个 Region 都有一个对应的 Remembered Set;
  • 每次 Reference 类型数据写操作时,都会产生一个 Write Barrier 暂时中断操作;
  • 然后检查将要写入的引用指向的对象是否和该 Reference 类型数据在不同的 Region(其他收集器:检查老年代对象是否引用了新生代对象);
  • 如果不同,通过 CardTable 把相关引用信息记录到引用指向对象的所在 Region 对应的 Remembered Set 中;
  • 当进行垃圾收集时,在 GC 根节点的枚举范围加入 Remembered Set;就可以保证不进行全局扫描,也不会有遗漏。

G1 回收过程一:年轻代 GC

JVM 启动时,G1 先准备好 Eden 区,程序在运行过程中不断创建对象到 Eden 区,当 Eden 空间耗尽时,G1 会启动一次年轻代垃圾回收过程。

年轻代垃圾回收只会回收Eden区和Survivor区。

Young GC 时,首先 G1 停止应用程序的执行(STW),G1 创建回收集(Collection Set),回收集是指需要被回收的内存分段的集合,年轻代回收过程的回收集包含年轻代 Eden 区和 Survivor 区所有的内存分段。

然后开始如下回收过程:

  • 第一阶段,扫描根

根是指 static 变量指向的对象,正在执行的方法调用链条上的局部变量等。根引用连同 RSet 记录的外部引用作为扫描存活对象的入口。

  • 第二阶段,更新 RSet

处理 dirty card queue 中的 card,更新 RSet。此阶段完成后,RSet可以准确的反映老年代对所在的内存分段中对象的引用

对于应用程序的引用赋值语句 object.field=object,JVM 会在之前和之后执行特殊的操作以在 dirty card queue 中入队一个保存了对象引用信息的 card。在年轻代回收的时候,G1 会对 dirty card queue 中所有的 card 进行处理,以更新 RSet,保证 RSet 实时准确的反映引用关系。那为什么不在引用赋值语句处直接更新 RSet 呢?这是为了性能的需要,RSet 的处理需要线程同步,开销会很大,使用队列性能会好很多。
  • 第三阶段,处理 RSet

识别被老年代对象指向的 Eden 中的对象,这些被指向的 Eden 中的对象被认为是存活的对象。

  • 第四阶段,复制对象

此阶段,对象树被遍历,Eden 区内存段中存活的对象会被复制到 Survivor 区中空的内存分段,Survivor 区内存段中存活的对象如果年龄未达阈值,年龄会加 1,达到阀值会被会被复制到 o1d 区中空的内存分段。如果 Survivor 空间不够,Eden 空间的部分数据会直接晋升到老年代空间。

  • 第五阶段,处理引用

处理 Soft,Weak,Phantom,Final,JNI Weak 等引用。最终 Eden 空间的数据为空,GC 停止工作,而目标内存中的对象都是连续存储的,没有碎片,所以复制过程可以达到内存整理的效果,减少碎片。

G1 回收过程二:并发标记过程

  • 初始标记阶段

标记从根节点直接可达的对象。这个阶段是 STW 的,并且会触发一次年轻代 GC。

  • 根区域扫描(Root Region Scanning)

G1 GC 扫描 survivor 区直接可达的老年代区域对象,并标记被引用的对象。这一过程必须在 Young GC 之前完成。

  • 并发标记(Concurrent Marking)

在整个堆中进行并发标记(和应用程序并发执行),此过程可能被 Young GC 中断。在并发标记阶段,若发现区域对象中的所有对象都是垃圾,那这个区域会被立即回收。同时,并发标记过程中,会计算每个区域的对象活性(区域中存活对象的比例)。

  • 再次标记(Remark)

由于应用程序持续进行,需要修正上一次的标记结果。是 STW 的。G1 中采用了比 CMS 更快的初始快照算法:snapshot-at-the-beginning(SATB)。

  • 独占清理(cleanup,STW)

计算各个区域的存活对象和 GC 回收比例,并进行排序,识别可以混合回收的区域。为下阶段做铺垫。是 STW 的。这个阶段并不会实际上去做垃圾的收集。

  • 并发清理阶段

识别并清理完全空闲的区域。

G1 回收过程三: 混合回收

当越来越多的对象晋升到老年代 Old Region 时,为了避免堆内存被耗尽,虚拟机会触发一个混合的垃圾收集器,即 Mixed GC,该算法并不是一个 Old GC,除了回收整个 Young Region,还会回收一部分的 Old Region。这里需要注意:是一部分老年代,而不是全部老年代。可以选择哪些 Old Region 进行收集,从而可以对垃圾回收的耗时时间进行控制。也要注意的是 Mixed GC 并不是 Full GC。

并发标记结束以后,老年代中百分百为垃圾的内存分段被回收了,部分为垃圾的内存分段被计算了出来。默认情况下,这些老年代的内存分段会分 8 次(可以通过-XX:G1MixedGCCountTarget 设置)被回收

混合回收的回收集(Collection Set)包括八分之一的老年代内存分段,Eden 区内存分段,Survivor 区内存分段。混合回收的算法和年轻代回收的算法完全一样,只是回收集多了老年代的内存分段。具体过程请参考上面的年轻代回收过程。

由于老年代中的内存分段默认分 8 次回收,G1 会优先回收垃圾多的内存分段。垃圾占内存分段比例越高的,越会被先回收。并且有一个阈值会决定内存分段是否被回收,
-XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent,默认为 65%,意思是垃圾占内存分段比例要达到 65%才会被回收。如果垃圾占比太低,意味着存活的对象占比高,在复制的时候会花费更多的时间。

混合回收并不一定要进行 8 次。有一个阈值-XX:G1HeapWastePercent,默认值为 10%,意思是允许整个堆内存中有 10%的空间被浪费,意味着如果发现可以回收的垃圾占堆内存的比例低于 10%,则不再进行混合回收。因为 GC 会花费很多的时间但是回收到的内存却很少。

G1 回收过程三: Full GC

G1 的初衷就是要避免 Full GC 的出现。但是如果上述方式不能正常工作,G1 会停止应用程序的执行(Stop-The-World),使用单线程的内存回收算法进行垃圾回收,性能会非常差,应用程序停顿时间会很长。

要避免 Full GC 的发生,一旦发生需要进行调整。什么时候会发生 Full GC 呢?比如堆内存太小,当 G1 在复制存活对象的时候没有空的内存分段可用,则会回退到 Full GC,这种情况可以通过增大内存解决。

导致 G1 Full GC 的原因可能有两个:

  1. EVacuation 的时候没有足够的 to-space 来存放晋升的对象。
  2. 并发处理过程完成之前空间耗尽。

垃圾回收器总结

截止 JDK1.8,一共有 7 款不同的垃圾收集器。每一款的垃圾收集器都有不同的特点,在具体使用的时候,需要根据具体的情况选用不同的垃圾收集器。

GC 发展阶段:Seria l=> Parallel(并行)=> CMS(并发)=> G1 => ZGC

不同厂商、不同版本的虚拟机实现差距比较大。HotSpot 虚拟机在 JDK7/8 后所有收集器及组合如下图

怎么选择垃圾回收器

Java 垃圾收集器的配置对于 JVM 优化来说是一个很重要的选择,选择合适的垃圾收集器可以让 JVM 的性能有一个很大的提升。怎么选择垃圾收集器?

  • 优先调整堆的大小让 JVM 自适应完成。
  • 如果内存小于 100M,使用串行收集器。
  • 如果是单核、单机程序,并且没有停顿时间的要求,串行收集器。
  • 如果是多 CPU、需要高吞吐量、允许停顿时间超过 1 秒,选择并行或者 JVM 自己选择。
  • 如果是多 CPU、追求低停顿时间,需快速响应(比如延迟不能超过 1 秒,如互联网应用),使用并发收集器。
  • 官方推荐 G1,性能高。现在互联网的项目,基本都是使用 G1。

最后需要明确一个观点:

没有最好的收集器,更没有万能的收集;调优永远是针对特定场景、特定需求,不存在一劳永逸的收集器。

GC 日志分析

通过阅读 Gc 日志,我们可以了解 Java 虚拟机内存分配与回收策略。 内存分配与垃圾回收的参数列表

  • -XX:+PrintGC 输出 GC 日志。类似:-verbose:gc
  • -XX:+PrintGCDetails 输出 GC 的详细日志
  • -XX:+PrintGCTimestamps 输出 GC 的时间戳(以基准时间的形式)
  • -XX:+PrintGCDatestamps 输出 GC 的时间戳
  • -XX:+PrintHeapAtGC 在进行 GC 的前后打印出堆的信息
  • -Xloggc:../logs/gc.log 日志文件的输出路径

-verbose:gc

打开 GC 日志:

-verbose:gc

这个只会显示总的 GC 堆的变化,如下:

参数解析:

PrintGCDetails

打开 GC 日志:

-verbose:gc -XX:+PrintGCDetails

输入信息如下:

参数解析:

Allocation Failure 表明本次引起 GC 的原因是因为在年轻代中没有足够的空间能够存储新的数据了。

Young GC Detail

Full GC Detail

GC 回收举例

public class GCUseTest {
    static final Integer _1MB = 1024 * 1024;
    public static void main(String[] args) {
        byte [] allocation1, allocation2, allocation3, allocation4;
        allocation1 = new byte[2 *_1MB];
        allocation2 = new byte[2 *_1MB];
        allocation3 = new byte[2 *_1MB];
        allocation4 = new byte[4 *_1MB];
    }
}
-Xms20m -Xmx20m -Xmn10M -XX:+PrintGCDetails -XX:SurvivorRatio=8 -XX:UseSerialGC

首先我们会将 3 个 2M 的数组存放到 Eden 区,然后后面 4M 的数组来了后,将无法存储,因为 Eden 区只剩下 2M 的剩余空间了,那么将会进行一次 Young GC 操作,将原来 Eden 区的内容,存放到 Survivor 区,但是 Survivor 区也存放不下,那么就会直接晋级存入 Old 区。

然后我们将 4M 对象存入到 Eden 区中。

革命性的 ZGC

ZGC 与 shenandoah 目标高度相似,在尽可能对吞吐量影响不大的前提下,实现在任意堆内存大小下都可以把垃圾收集的停颇时间限制在十毫秒以内的低延迟。

《深入理解 Java 虚拟机》一书中这样定义 ZGC:ZGC 收集器是一款基于 Region 内存布局的,(暂时)不设分代的,使用了读屏障、染色指针和内存多重映射等技术来实现可并发的标记-压缩算法的,以低延迟为首要目标的一款垃圾收集器。

ZGC 的工作过程可以分为 4 个阶段:并发标记 - 并发预备重分配 - 并发重分配 - 并发重映射 等。

ZGC 几乎在所有地方并发执行的,除了初始标记的是 STW 的。所以停顿时间几乎就耗费在初始标记上,这部分的实际时间是非常少的。

吞吐量对比:

停顿时间对比:

JDK14 之前,ZGC 仅 Linux 才支持。

尽管许多使用 ZGC 的用户都使用类 Linux 的环境,但在 Windows 和 Mac OS 上,人们也需要 ZGC 进行开发部署和测试。许多桌面应用也可以从 ZGC 中受益。因此,ZGC 特性被移植到了 Windows 和 Mac OS 上。

现在 Mac 或 Windows 上也能使用 ZGC 了,示例如下:

-XX:+UnlockExperimentalVMOptions-XX:+UseZGC
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