JVM 垃圾收集器

鑫旺2024-01-13JVMJVM

JVM 垃圾收集器

1. GC 基本原理

1.1 什么是垃圾？

在内存中，没有被引用的对象就是垃圾。

1.2 如何找到这个垃圾？

主要是两种：

引用计数法
可达性分析法

1.2.1 引用计数法

当对象引用消失，对象就称为垃圾。通过引用计数，找到这个垃圾。

堆内存中主要存在三种引用关系：

单一引用
循环引用
无引用

由此可见，引用计数算法不能解决循环引用问题。为了解决这个问题，JVM使用了根可达分析算法。

1.2.2 可达性分析法（根搜索法）

通过 GCRoots 作为对象起点向下搜索，当一个对象到 GCRoots 没有任何引用链时，此对象是垃圾。

引用链（ReferenceChain）：GCRoots 搜索走过的路径
什么是 GCRoots ？
- 虚拟机栈中，栈帧本地变量表引用的对象
- 方法区中，类静态属性引用的对象
- 方法区中，常量引用对象
- 本地方法栈中，JNI 引用的对象
- 虚拟机内部的引用

垃圾对象死亡前至少经历两次标记：

第一次标记：可达性分析后，没有引用链对象会被第一次标记
第二次标记：标记后的对象会经历筛选，如果筛选不通过，则会被第二次标记。第二次标记成功的对象将被回收
- 筛选条件：此对象是否有必要执行finalize() 方法。在 finalize() 方法中没有重新与引用链建立关联关系的，将被进行第二次标记。

对象引用：

JDK 1.2 之后，Java 对象的引用进行了扩充：强引用，软引用，弱引用，虚引用

引用类型	被垃圾回收时间	用途	生存时间
强引用	从来不会	对象的一般状态	JVM 停止时终止
软引用	内存不足时	对象缓存	内存不足时终止
弱引用	正常 GC	对象缓存	GC 后终止
虚引用	正常 GC	类似事件回调机制	GC 后终止
无引用	正常 GC	对象的一般状态	GC 后终止

强引用

Object obj = new Object();

软引用
- 非必须引用，内存溢出之前进行回收，如内存还不够，才会抛异常
- 应用场景：软引用可用来实现内存敏感的高速缓存。

Map<String, SoftReference<Bitmap>> fileCache = new HashMap<String, SoftReference<Bitmap>>

弱引用
- 非必须引用，只要有 GC，就会被回收
- 作用：监控对象是否已经被垃圾回收器标记为即将回收的垃圾，可以通过弱引用的 isEnQueued() 返回对象是否被垃圾回收器标记

Object obj = new Object();
WeakReference<Object> wf = new WeakReference<Object>(obj);
obj = null;
//System.gc();
Object o = wf.get();//有时候会返回null
boolean enqueued = wf.isEnqueued();//返回是否被垃圾回收器标记为即将回收的垃圾

虚引用
- 最弱的一种引用关系。垃圾回收时直接回收
- 一个对象是否有虚引用的存在，完全不会对其生存时间构成影响，也无法通过虚引用来取得一个对象实例

Object obj = new Object();
PhantomReference<Object> pf = new PhantomReference<Object>(obj, new ReferenceQueue<>());
obj=null;
Object o = pf.get();//永远返回null
boolean enqueued = pf.isEnqueued();//返回是否从内存中已经删除

1.3 如何清除垃圾？

三种清除垃圾算法：

标记 - 清除算法（Mark-Sweep）
标记 - 复制算法（Copying ）
标记 - 整理算法（Mark-Compact）

1.3.1 标记-清除算法

分为标记和清除两个阶段：
- 标记：标记出所有需要回收对象
- 清除：统一回收掉所有对象
缺点：
- 执行效率不稳定
- 空间碎片：会产生大量不连续内存碎片

1.3.2 标记-复制算法

现在商业虚拟机都是采用这种收集算法来回收新生代

1.3.3 标记-整理算法

老年代没有人担保，不能用复制回收算法。可以用标记-整理算法，标记过程仍然与“标记-清除”算法一样，然后让所有存活的对象都向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存。

标记：标记出所有需要回收对象
清除：统一回收掉所有对象
整理：将所有存活对象向一端移动

优缺点：

优点：空间没有浪费，没有内存碎片化问题
缺点：性能较低

分代回收：

当前商业虚拟机都是采用这种算法。根据对象的存活周期的不同将内存划分为几块。

新生代：选择复制算法，弱分代假说
老年代：选择标记-清除或标记-整理，强分代假说

1.3.4 用什么清除垃圾？

有8 种不同的垃圾回收器，它们分别用于不同分代的垃圾回收。

新生代（复制算法）：Serial，ParNew，Parallel Scavenge
老年代（标记-清除、标记-整理）：SerialOld，Parallel Old，CMS
整堆：G1，ZGC

新生代	老年代
Serial	Serial Old
Serial	CMS
ParNew	Serial Old
ParNew	CMS
Parallel Scavenge	Serial Old
Parallel Scavenge	Parallel Old

2. 串行收集器

2.1 Serial 收集器：Serial 与 SerialOld

配置参数： -XX:+UseSerialGC

特点：

Serial 新生代收集器，单线程执行，使用复制算法
SerialOld 老年代收集器，单线程执行，使用标记-整理算法
进行垃圾收集时，必须暂停用户线程

3 并行收集器

3.1 Parallel Scavenge 收集器

配置参数： -XX:+UseParallelGC

特点：简称PS

吞吐量优先收集器，垃圾收集需要暂停用户线程

新生代使用并行回收器，采用复制算法
老年代使用串行收集器，采用标记-整理算法

3.2 Parallel Old 收集器

配置参数： -XX:+UseParallelOldGC

特点：

PS收集器的老年代版本
吞吐量优先收集器，垃圾收集需要暂停用户线程，对CPU敏感
老年代使用并行收集器，采用标记-整理算法

3.3 ParNew 收集器

配置参数：

-XX:+UseParNewGC
-XX:ParallelGCThreads=n，垃圾收集线程数

特点：

新生代并行 ParNew，老年代串行 SerialOld
Serial 的多线程版
单核 CPU 不建议使用

3.4 CMS 收集器

配置参数： -XX:+UseConcMarkSweepGC

特点：

低延时，减少STW对用户的影响
并发收集，用户线程与收集线程一起执行，对CPU资源敏感
不会等待堆填满再收集，到达阈值就开始收集
采用标记-清除算法，所以会产生内存碎片

初始标记阶段：会 STW，标记出 GCRoots 可以关联到的对象，关联对象较少，所以很快
并发标记阶段：不会 STW，遍历 GCRoots 直接对象的引用链，耗时长
重新标记阶段：会 STW，修正并发标记期间的新对象记录
并发清除阶段：不会 STW，清除垃圾对象，释放内存空间

3.5 G1（Garbage-First）收集器

G1 是一款面向服务端应用的全功能型垃圾收集器，大内存企业配置的主要是 G1。

配置参数：-XX:+UseG1GC

特点：G1

吞吐量和低延时都行的整堆垃圾收集器
G1 最大堆内存 32M * 2048=64GB，最小堆内存 1M * 2048 = 2 GB，低于此值不建议使用
全局使用标记-整理算法收集，局部采用复制算法收集
可预测的停顿：能让使用者指定GC消耗时间，默认是 200ms

初始标记：会 STW，标记出 GCRoots 可以关联到的对象，耗时短
并发标记：不会 STW，遍历 GCRoots 直接对象的引用链，耗时长
最终标记：会 STW，修正并发标记期间，标记产生变动的那部分
筛选回收：会 STW，对各个 Region 的回收价值和成本排序，根据用户期望 GC 停顿时间确定回收计划

G1中有三种模式垃圾回收模式，Young GC、Mixed GC 和 Full GC，在不同的条件下被触发。

G1 内存划分：

取消新生代与老年代的物理划分：采用若干个固定大小的 Region
Region区类型：在逻辑上有 Eden、Survivor、Old、Humongous
垃圾收集算法：全局采用标记-整理算法，局部采用复制算法
Humongous区域：当对象的容量超过了 Region 的50%，则被认为是巨型对象

-XX:+UseG1GC
# 使用 G1 垃圾收集器
-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 200 毫秒。
-XX:G1HeapRegionSize=n
# 设置的 G1 区域的大小。值是 2 的幂，范围是 1 MB 到 32 MB 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:ParallelGCThreads=n
# 设置并行垃圾回收线程数，一般将n的值设置为逻辑处理器的数量，建议最多为8。
-XX:ConcGCThreads=n
# 设置并行标记的线程数。将n设置为ParallelGCThreads的1/4左右。
-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=n
# 设置触发标记周期的 Java 堆占用率阈值。默认占用率是整个 Java 堆的 45%。

3.6 ZGC（Z Garbage Collector）

ZGC （Z Garbage Collector ）在JDK11中引入的一种可扩展的低延迟垃圾收集器，在 JDK15 中发布稳定版。

配置参数： -XX:+UseZGC

特点：

< 1ms 最大暂停时间（JDK 16 是10ms，JDK16+ <1ms ），不会随着堆内存增加而增加
适合内存8MB，16TB
并发，基于Region，压缩，NUMA感知，使用色彩指针，使用负载屏障
垃圾收集算法：标记-整理算法
主要目标：低延时

-XX:+UseZGC # 启用 ZGC
-Xmx # 设置最大堆内存
-Xlog:gc # 打印 GC日志
-Xlog:gc* # 打印 GC 详细日志

4. Minor GC 、Major GC和 Full GC 有什么区别？

新生代收集（Minor GC/Young GC）：指目标只是新生代的垃圾收集。Minor GC 非常频繁，回收速度比较快。
老年代收集（Major GC/Old GC）：指目标只是老年代的垃圾收集， Major GC 一般比 Minor GC 慢 10 倍以上。目前只有 CMS 收集器会有单独收集老年代的行为。另外请注意 Major GC 这个说法现在有点混淆，在不同资料上常有不同所指，需按上下文区分到底是指老年代的收集还是整堆收集。
整堆收集（Full GC）：收集整个 Java 堆和方法区的垃圾收集。
混合收集（Mixed GC）：指目标是收集整个新生代以及部分老年代的垃圾收集。目前只有 G1 收集器会有这种行为。

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