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JVM 垃圾回收(GC)

JVM Garbage Collection

Ynthm Wang 收录于 Java
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在计算机科学中，垃圾回收（英语：Garbage Collection，缩写为GC）是指一种自动的存储器管理机制。当某个程序占用的一部分内存空间不再被这个程序访问时，这个程序会借助垃圾回收算法向操作系统归还这部分内存空间。垃圾回收器可以减轻程序员的负担，也减少程序中的错误。垃圾回收最早起源于LISP语言。目前许多语言如Smalltalk、Java、C#、Go和D语言都支持垃圾回收器。

JVM内存分配策略

对象内存主要分配在新生代Eden区, 如果启用了本地线程分配缓冲, 则优先在TLAB上分配, 少数情况能会直接分配在老年代, 或被拆分成标量类型在栈上分配(JIT优化). 分配的规则并不是百分百固定, 细节主要取决于垃圾收集器组合, 以及VM内存相关的参数.

对象分配

  • 优先在Eden区分配 在JVM内存模型一文中, 我们大致了解了VM年轻代堆内存可以划分为一块Eden区和两块Survivor区. 在大多数情况下, 对象在新生代Eden区中分配, 当Eden区没有足够空间分配时, VM发起一次Minor GC, 将Eden区和其中一块Survivor区内尚存活的对象放入另一块Survivor区域, 如果在Minor GC期间发现新生代存活对象无法放入空闲的Survivor区, 则会通过空间分配担保机制使对象提前进入老年代(空间分配担保见下).
  • 大对象直接进入老年代 Serial和ParNew两款收集器提供了**-XX:PretenureSizeThreshold的参数, 令大于该值的大对象直接在老年代分配, 这样做的目的是避免在Eden区和Survivor区之间产生大量的内存复制**(大对象一般指 需要大量连续内存的Java对象, 如很长的字符串和数组), 因此大对象容易导致还有不少空闲内存就提前触发GC以获取足够的连续空间.

对象晋升

  • 年龄阈值 VM为每个对象定义了一个对象年龄(Age)计数器, 对象在Eden出生如果经第一次Minor GC后仍然存活, 且能被Survivor容纳的话, 将被移动到Survivor空间中, 并将年龄设为1. 以后对象在Survivor区中每熬过一次Minor GC年龄就+1. 当增加到一定程度(-XX:MaxTenuringThreshold, 默认15), 将会晋升到老年代.

  • 提前晋升: 动态年龄判定 然而VM并不总是要求对象的年龄必须达到MaxTenuringThreshold才能晋升老年代: 如果在Survivor空间中相同年龄所有对象大小的总和大于Survivor空间的一半, 年龄大于或等于该年龄的对象就可以直接进入老年代, 而无须等到晋升年龄.

对象存活判断

  • 引用计数：每个对象有一个引用计数属性，新增一个引用时计数加1，引用释放时计数减1，计数为0时可以回收。此方法简单，无法解决对象相互循环引用的问题。
  • 可达性分析（Reachability Analysis）：从GC Roots开始向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链。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，不可达对象。

在Java语言中，GC Roots包括：

  • System Class bootstrap/system class loader 加载的 Class；还包含对静态变量的引用
  • JNI Local native code 中的本地变量
  • JNI Global native code 中的全局变量
  • 活动 Java 线程：所有活动 Java 线程
  • 用作同步监视器的对象
  • Stack Local：存储在本地堆栈上的方法的局部变量和参数
  • 虚拟机栈中引用的对象。

注: 即使在可达性分析算法中不可达的对象, VM也并不是马上对其回收, 因为要真正宣告一个对象死亡, 至少要经历两次标记过程: 第一次是在可达性分析后发现没有与GC Roots相连接的引用链, 第二次是GC对在F-Queue执行队列中的对象进行的小规模标记(对象需要覆盖finalize()方法且没被调用过).

GC算法 垃圾回收算法

评估一个垃圾收集(GC)算法如何根据如下两个标准：

  1. 吞吐量越高算法越好
  2. 暂停时间越短算法越好

按照基本回收策略分

引用计数 (Reference Counting)

比较古老的回收算法。原理是此对象有一个引用，即增加一个计数，删除一个引用则减少一个计数。垃圾回收时，只用收集计数为0的对象。此算法最致命的是无法处理循环引用的问题。

标记-清除 (Mark-Sweep)

算法分为“标记”和“清除”两个阶段：第一阶段从引用根节点开始标记所有被引用的对象，第二阶段遍历整个堆，把未标记的对象清除。此算法需要暂停整个应用，同时，会产生内存碎片。

复制 (Copying)

此算法把内存空间划为两个相等的区域，每次只使用其中一个区域。垃圾回收时，遍历当前使用区域，把正在使用中的对象复制到另外一个区域中。次算法每次只处理正在使用中的对象，因此复制成本比较小，同时复制过去以后还能进行相应的内存整理，不会出现“碎片”问题。当然，此算法的缺点也是很明显的，就是需要两倍内存空间。

标记-整理 (Mark-Compact)

此算法结合了“标记-清除”和“复制”两个算法的优点。也是分两阶段，第一阶段从根节点开始标记所有被引用对象，第二阶段遍历整个堆，把清除未标记对象并且把存活对象“压缩”到堆的其中一块，按顺序排放。此算法避免了“标记-清除”的碎片问题，同时也避免了“复制”算法的空间问题。

按分区对待的方式分

增量收集 (Incremental Collecting)

实时垃圾回收算法，即：在应用进行的同时进行垃圾回收。

分代收集 (Generational Collection)

基于对对象生命周期分析后得出的垃圾回收算法。把对象分为年青代、年老代、持久代，对不同生命周期的对象使用不同的算法（上述方式中的一个）进行回收。现在的垃圾回收器（从J2SE1.2开始）都是使用此算法的。

按系统线程分

串行收集

串行收集使用单线程处理所有垃圾回收工作，因为无需多线程交互，实现容易，而且效率比较高。但是，其局限性也比较明显，即无法使用多处理器的优势，所以此收集适合单处理器机器。当然，此收集器也可以用在小数据量（100M左右）情况下的多处理器机器上。

并行收集

并行收集使用多线程处理垃圾回收工作，因而速度快，效率高。而且理论上CPU数目越多，越能体现出并行收集器的优势。

并发收集

相对于串行收集和并行收集而言，前面两个在进行垃圾回收工作时，需要暂停整个运行环境，而只有垃圾回收程序在运行，因此，系统在垃圾回收时会有明显的暂停，而且暂停时间会因为堆越大而越长。

垃圾回收器 Garbage Collector

Java 四种类型的垃圾回收器：

  1. 串行垃圾回收器（Serial Garbage Collector）
  2. 并行垃圾回收器（Parallel Garbage Collector）
  3. 并发标记扫描垃圾回收器（CMS Garbage Collector）
  4. G1垃圾回收器（G1 Garbage Collector）

串行垃圾回收器

串行垃圾回收器通过持有应用程序所有的线程进行工作。它为单线程环境设计，只使用一个单独的线程进行垃圾回收，通过冻结所有应用程序线程进行工作，所以可能不适合服务器环境。它最适合的是简单的命令行程序。

通过JVM参数-XX:+UseSerialGC可以使用串行垃圾回收器。

并行垃圾回收器

并行垃圾回收器也叫做 throughput collector 。它是JVM的默认垃圾回收器。与串行垃圾回收器不同，它使用多线程进行垃圾回收。相似的是，它也会冻结所有的应用程序线程当执行垃圾回收的时候

并发标记扫描垃圾回收器

并发标记垃圾回收使用多线程扫描堆内存，标记需要清理的实例并且清理被标记过的实例。并发标记垃圾回收器只会在下面两种情况持有应用程序所有线程。

  1. 当标记的引用对象在tenured区域；
  2. 在进行垃圾回收的时候，堆内存的数据被并发的改变。

相比并行垃圾回收器，并发标记扫描垃圾回收器使用更多的CPU来确保程序的吞吐量。如果我们可以为了更好的程序性能分配更多的CPU，那么并发标记上扫描垃圾回收器是更好的选择相比并发垃圾回收器。

通过JVM参数 XX:+USeParNewGC 打开并发标记扫描垃圾回收器。

G1垃圾回收器

G1垃圾回收器适用于堆内存很大的情况，他将堆内存分割成不同的区域，并且并发的对其进行垃圾回收。G1也可以在回收内存之后对剩余的堆内存空间进行压缩。并发扫描标记垃圾回收器在STW情况下压缩内存。G1垃圾回收会优先选择第一块垃圾最多的区域

通过JVM参数 –XX:+UseG1GC 使用G1垃圾回收器

Java 8 的新特性在使用G1垃圾回收器的时候，通过 JVM参数 -XX:+UseStringDeduplication 。 我们可以通过删除重复的字符串，只保留一个char[]来优化堆内存。这个选择在Java 8 u 20被引入。

JVM 参数配置

运行的垃圾回收器类型

配置 描述
-XX:+UseSerialGC 串行垃圾回收器
-XX:+UseParallelGC 并行垃圾回收器
-XX:+UseConcMarkSweepGC 并发标记扫描垃圾回收器
-XX:ParallelCMSThreads= 并发标记扫描垃圾回收器 =为使用的线程数量
-XX:+UseG1GC G1垃圾回收器

GC的优化配置

配置 描述
-Xms 初始化堆内存大小
-Xmx 堆内存最大值
-Xmn 新生代大小
-XX:PermSize 初始化永久代大小
-XX:MaxPermSize 永久代最大容量

/images/java/jvm-gc-collector.jpg

  • 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。
  • ParNew收集器，ParNew收集器其实就是Serial收集器的多线程版本。
  • Parallel收集器，Parallel Scavenge收集器类似ParNew收集器，Parallel收集器更关注系统的吞吐量。
  • Parallel Old 收集器，Parallel Old是Parallel Scavenge收集器的老年代版本，使用多线程和“标记－整理”算法
  • CMS收集器，CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器。
  • G1收集器，G1 (Garbage-First)是一款面向服务器的垃圾收集器,主要针对配备多颗处理器及大容量内存的机器. 以极高概率满足GC停顿时间要求的同时,还具备高吞吐量性能特征。

负责 young generation 的 collector

  • Serial 一个线程，GC时，会 stop-the-world(STW)
  • Parallel Scavenge 多线程出来GC，仍然会 stop-the-world，暂停的时间也许更短
  • ParNew 它基本上和Parallel Scavenge非常相似，唯一的区别，在于它做了强化能够和CMS一起使用

负责 Tenured Generation 的 collector

  • Serial Old 单线程，采用的是mark-sweep-compact回收方法
  • Parallel Old 多线程的GC collector
  • CMS concurrent-mark-sweep 最并发，暂停时间最低的collector，之所以称为concurrent，是因为它在执行GC任务的时候，GC thread是和application thread一起工作的，基本上不需要暂停application thread。

JVM参数

-XX:+UseSerialGC： 相当于”Serial” + “SerialOld”，这个方案直观上就应该是性能最差的，我的实验证明也确实如此；

当young代内存满，执行young代GC(minor GC)。 当old或permanent代内存满，执行full GC(major GC)

-XX:+UseParallelGC： 相当于” Parallel Scavenge” + “SerialOld”，也就是说，在young generation中是多线程处理，但是在tenured generation中则是单线程；

-XX:+UseParallelOldGC： 相当于” Parallel Scavenge” + “ParallelOld”，都是多线程并行处理；

-XX:+UseConcMarkSweepGC： 相当于"ParNew" + “CMS” + “Serial Old”，即在young generation中采用ParNew，多线程处理；在tenured generation中使用CMS，以求得到最低的暂停时间，但是，采用CMS有可能出现”Concurrent Mode Failure”（这个后面再说），如果出现了，就只能采用”SerialOld”模式了；

更新于 2018-10-03
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