JVM之垃圾回收器

1.如何判断对象可以回收

1.1 引用计数法

什么是引用计数器法

在对象中添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器值就加一；当引用失效时，计数器值就减一；任何时刻计数器为零的对象就是不可能再被使用的。

**缺点：**无法解决对象之间循环引用的问题。例如，当二个对象相互引用时，并且这二个对象也不可能再被访问，那么这二个对象将永远存在于内存当中不会被回收。

引用计数器算法有一些比较著名的应用案例，但是Java虚拟机并没有采用这种算法。

1.2 可达性分析算法

1.什么是可达性分析算法

可达性分析算法是通过一系列称为"GC Roots"的根对象作为起始节点集，从这些节点开始，根据引用关系向下搜索，搜索过程所走过的路径称为"引用链"，如果某个对象到GC Roots间没有任何引用链相连，则证明此对象是不可能被使用的。

2.可以作为 GC Roots 的对象

• 在虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象。例如当前正在运行的方法所用到的参数、局部变量、临时变量等。
• 在方法区中类静态属性引用的对象，例如Java类的引用类型静态变量
• 在方法区中常量引用的对象，例如字符串常量池里的引用
• 在本地方法栈中JNI（即通常所说的Native方法）引用的对象
• Java虚拟机内部的引用，如基本数据类型对应的Class对象、一些常驻的异常对象（比如NullPointException、OutOfMemoryError等）、系统类加载器等
• 所有被同步锁（synchronized关键字）持有的对象
• 反映Java虚拟机内部情况的JMXBean、JVMTI中注册的回调、本地代码缓存等。

除了上述这些固定的GC Roots集合以外，根据用户所选用的垃圾收集器以及当前回收的内存区域不同，还可以有其它对象临时性的加入，共同构成完整的GC Roots集合。例如后面会提到的分代收集和局部回收，如果只针对Java堆中某一块区域发起垃圾收集（例如只针对新生代的垃圾收集），而这个区域的对象完全有可能被位于堆中其他区域的对象所引用，这时候就需要将这些关联区域的对象一并加入GC Roots集合中。

3.四种引用

强引用：

• 强引用是程序代码中普遍存在的引用赋值，即类似"Object obj = new Object()"这种引用关系。无论任何情况下，只要GC Roots与对象之间存在强引用关系，那么垃圾回收器就永远不会回收这个对象。

软引用：

• 软引用是用来描述一些还有用但非必须的对象。只被软引用关联着的对象，在系统将要发出内存溢出异常前，会把这个对象列进回收范围之中进行第二次回收，如果第二次回收之后还没有足够的内存，才会抛出内存溢出异常。JDK提供了SoftReference类来实现软引用。
• 可以配合引用队列来释放软引用自身

弱引用：

• 仅有弱引用引用该对象时，在垃圾回收时，无论内存是否充足，都会回收弱引用对象。JDK提供了WeakReference类来实现弱引用。
• 可以配合引用队列来释放弱引用自身

虚引用：

• 虚引用是最弱的一种引用关系。一个对象是否有虚引用的存在，完全不会对其生存时间造成影响，也无法通过虚引用来获取一个对象实例，为一个对象设置虚引用的唯一目的只是为了能在这个对象被垃圾收集器回收时收到一个系统通知。JDK提供了PhantomReference类来实现虚引用。
• 必须配合引用队列使用，主要配合 ByteBuffer 使用，被引用对象回收时，会将虚引用入队， 由 Reference Handler 线程调用虚引用相关方法释放直接内存

注意

1.上述前四种引用的引用强度从上到下依次减弱

2.除上述四种引用外，还有一种无须手动编码的引用，称为终结器引用

终结器引用：无需手动编码，但其内部配合引用队列使用，在垃圾回收时，终结器引用入队（被引用对象暂时没有被回收），再由 Finalizer 线程通过终结器引用找到被引用对象并调用它的 finalize 方法，第二次 GC 时才能回收被引用对象

2.垃圾回收算法

2.1 分代收集

1.分代收集理论

当前商业虚拟机的垃圾收集器，大多数都遵循了分代收集的理论进行设计，分代收集名为理论，实质上是一套符合大多数程序运行实际情况的经验法则，它建立在二个分代假说之上：

弱分代假说：绝大多数对象是朝生夕灭的

强分代假说：熬过越多次垃圾收集过程的对象就越难以消亡

这二个分代假说奠定了多款常用的垃圾收集器的一致的设计原则：收集器应该将Java堆划分出不同的区域，然后将回收对象依据其年龄（年龄即对象熬过垃圾收集过程的次数）分配到不同的区域之中存储。显而易见，如果一个区域中大多数对象都是朝生夕灭，难以熬过垃圾收集过程的话，那么把它们集中放在一起，每次回收时只关注如何保留少量存活而不是去标记那些大量将要被回收的对象，就能以较低代价回收到大量的空间；如果剩下的都是难以消亡的对象，那把它们集中放在一块，虚拟机便可以使用较低的频率来回收这个区域。

把分代收集理论放到现在的商用Java虚拟机里，设计者一般至少会把Java堆划分为新生代和老年代二个区域。顾名思义，新生代中，每次垃圾回收都有大批对象死去，而每次回收后存活的少量对象，将会逐步晋升到老年代中存放。针对新生代或老年代或整个堆的收集则有如下不同的名词：

部分收集

• **新生代收集（Minor GC/Young GC）：**指目标只是新生代的垃圾收集
• **老年代收集（Major GC/Old GC）：**指目标只是老年代的收集。目前只有CMS收集器会有单独收集老年代的行为。
• **混合收集：**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。

**整堆收集（Full GC）：**收集整个Java堆和方法区的垃圾收集

注意

1.但是对象之间很可能是存在跨代引用的。例如，新生代中的对象有可能被老年代中的对象所引用，具体解决方法见<<深入理解Java虚拟机>>

2.在HotSpot中，新生代内存不足，会触发Minor GC，使用新生代垃圾回收器完成垃圾回收；老年代内存不足，会触发Full GC，使用新生代垃圾回收器完成新生代的垃圾回收，使用老年代垃圾回收器完成老年代的垃圾回收

2.HotSpot的分代垃圾回收

对象首先分配在伊甸园区域

新生代空间不足时，触发 minor gc，伊甸园和 from 存活的对象使用 copy 复制到 to 中，存活的对象年龄加 1 并且将幸存区的 from 和 to 交换

minor gc 会引发 stop the world，暂停其它用户的线程，等垃圾回收结束，用户线程才恢复运行

当对象寿命超过阈值时，会晋升至老年代，最大寿命是15（4bit）

当老年代空间不足，会先尝试触发 minor gc，如果之后空间仍不足，那么触发 full gc，STW的时 间更长

2.2 标记清除

什么是标记清除

标记清除算法分为标记和清除两个阶段：首先需要标记出所有需要回收的对象，在标记完成后，统一回收掉所有被标记的对象，也可以反过来，标记存活的对象，统一回收所有未被标记的对象。

优点：

• 相比于标记整理算法速度更快

缺点：

• 标记和清除二个过程的执行效率会随对象数量增长的效率而降低
• 会造成内存碎片

2.3 标记整理算法

什么是标记整理算法

首先标记出所有需要回收的对象，也可以反过来，标记存活的对象，然后让所有存活的对象向内存空间一端移动，最后直接清理掉边界以外的内存，

优点

不会产生内存碎片

缺点

相比于垃圾清除算法速度慢

2.4 标记复制算法

什么是标记复制算法

它将可用内存按容量划分为大小相等的二块，每次只使用其中的一块。当这一块的内存用完了，就将还活着的对象复制到另外一块上面，然后再把已使用过的内存空间一次清理掉。

优点

不会有内存碎片

缺点

需要占用双倍内存空间

现在的商用Java虚拟机优先采用了这种收集算法去回收新生代。但是，IBM曾有一项研究对新生代的朝生夕死的特点做了一个更量化的诠释：新生代中的对象有98%熬不过第一轮收集。因此，并不需要1:1的比例划分新生代的内存空间

2.5 JVM的相关参数

3.垃圾回收器

3.1 垃圾回收器概述

什么是垃圾回收器

垃圾收集算法是内存回收的方法论，而垃圾回收器是内存回收的实践者。《Java虚拟机规范》中对垃圾收集器如何实现并没有做出任何规定，因此不同厂商、不同版本的虚拟机所包含的垃圾回收器都可能会有很大差别，不同的虚拟机一般也会提供各种参数供用户根据自己的应用特点和要求组合出各个内存分代所使用的收集器。

垃圾回收器的分类

1. 串行

• 单线程
• 堆内存较小，适合个人电脑

2. 吞吐量优先

• 多线程
• 堆内存较大，多核 cpu
• 让单位时间内，STW 的时间最短，垃圾回收时间占比最低，这样就称吞吐量高

3. 响应时间优先

• 多线程
• 堆内存较大，多核 cpu 尽可能让单次 STW 的时间最短

不同垃圾回收器的组合

上图展示了七种作用于不同分代的垃圾回收器，如果二个回收器之间存在连线，这说明它们可以搭配使用，但这个关系不是一成不变的，在JDK的一些版本中，某些组合已经被废弃了。

直到目前还没有最好的垃圾回收器，跟更加不存在万能的垃圾回收器，我们应选择对具体的应用最合适的垃圾回收器。

3.2 串行的垃圾回收器

开启串行垃圾回收器的JVM参数

-XX:+UseSerialGC = Serial + SerialOld

Serial和SerialOld是二种串行的垃圾回收器。其中：

**Serial：**是一种单线程的垃圾回收器，用于新生代，采用标记复制算法进行垃圾回收。

**SerialOld：**是一种单线程的垃圾回收器，用于老年代，采用标记整理算法进行垃圾回收。

3.3 吞吐量优先的垃圾回收器

开启吞吐量优先的垃圾回收器

-XX:+UseParallelGC ~ -XX:+UseParallelOldGC

Parallel和ParallelOld是二种吞吐量优先的垃圾回收器。其中：

**Parallel：**是一款多线程并行收集的垃圾回收器，用于新生代，采用标记复制算法

**ParallelOld：**是一款多线程并行收集的垃圾回收器，用于老年代，采用标记整理算法

开启其它参数

//动态调整伊甸园和幸存区的比例、整个堆的大小、晋升阈值的大小
-XX:+UseAdaptiveSizePolicy
//下面这二个参数开启后，Parallel和ParallelOld会尝试达到对应的目标
//吞吐量的目标
-XX:GCTimeRatio=ratio
//最大暂停毫秒数的目标，默认200ms
-XX:MaxGCPauseMillis=ms
//控制线程数
-XX:ParallelGCThreads=n    

3.4 响应时间优先的垃圾回收器

开启响应时间优先的垃圾回收器

-XX:+UseConcMarkSweepGC ~ -XX:+UseParNewGC ~ SerialOld

CMS 和 ParNew 是二种响应时间优先的垃圾回收器。其中：

**CMS：**是一款多线程的垃圾回收器，进行垃圾回收的过程中涉及到并行和并发，用于老年代，采用标记清除算法。另外，CMS进行垃圾回收时可能会造成内存碎片过多，当新生代垃圾回收内存不足时，老年代由于内存碎片太多，也内存不足，这种情况下，会采用SerialOld进行老年代的垃圾回收

**ParNew：**是一款多线程并行收集的垃圾回收器，用于新生代，采用标记复制算法

//参数1：并行的线程数，默认是4、参数2：并发的线程数，建议设置为并行线程数的四分之一
-XX:ParallelGCThreads=n ~ -XX:ConcGCThreads=threads
//当老年代内存占比达到percent时，执行CMS，这么做的目的是预留一些空间给浮动垃圾用
-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=percent
//新生代对象有可能引用老年代的对象，但某些引用了老年代对象的新生代对象，本身是要作为垃圾处理的，
所以通过打开此开关，在进行重新标记之前，先针对新生代进行一次垃圾回收，这样做就减少了重新标记的
压力
-XX:+CMSScavengeBeforeRemark

3.5 G1垃圾回收器