jvm基础篇之垃圾回收[2](垃圾回收算法)

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垃圾回收算法核心思想

  • 垃圾回收要做的有两件事:第一,找到内存中存活的对象;第二,释放不再存活对象的内存,使得程序能再次利用该空间

垃圾回收算法的历史

  • 1960年John McCarthy发布了第一个GC算法:标记-清除算法
  • 1963年Marvin L. Minsky 发布了复制算法。
  • 本质上后续所有的垃圾回收算法,都是在上述两种算法的基础上优化而来

垃圾回收算法的评价标准

  • Java垃圾回收过程会通过单独的GC线程来完成。所有的GC算法,都会有部分阶段需要停止所有的用户线程,进行垃圾回收。这个过程被称之为Stop The World简称STW,如果STW时间过长则会影响用户的使用。

垃圾回收算法的评价标准

  1. 吞吐量:吞吐量指的是 CPU 用于执行用户代码的时间与 CPU 总执行时间的比值,即 吞吐量 = 执行用户代码时间 / (执行用户代码时间 + G C 时间) 吞吐量 = 执行用户代码时间 /(执行用户代码时间 + GC时间) 吞吐量=执行用户代码时间/(执行用户代码时间+GC时间)。
    • 吞吐量数值越高,垃圾回收的效率就越高.比如:虚拟机总共运行了 100 分钟,其中GC花掉 1 分钟,那么吞吐量就是 99%
  2. 最大暂停时间:最大暂停时间指的是所有在垃圾回收过程中的STW时间最大值。最大暂停时间越短,用户使用系统时受到的影响就越短。
  3. 堆使用效率:不同垃圾回收算法,对堆内存的使用方式是不同的。比如标记清除算法,可以使用完整的堆内存。而复制算
    法会将堆内存一分为二,每次只能使用一半内存。从堆使用效率上来说,标记清除算法要优于复制算法

  • ==上述三种评价标准:堆使用效率、吞吐量,以及最大暂停时间不可兼得。==一般来说,堆内存越大,最大暂停时间就越长。想要减少最大暂停时间,就会降低吞吐量。
  • 不同的垃圾回收算法,适用于不同的场景。没有最好的垃圾回收算法之说,只有不同场景下更合适的回收算法。

垃圾分类算法分类

标记清除算法

核心思想

  • 标记清除算法的核心思想分为两个阶段:第一标记阶段和第二清除阶段。
    1. 标记阶段,将所有存活的对象进行标记。Java中使用可达性分析算法,从GC Root开始通过引用链遍历出有存活对象。
    2. 清除阶段,从内存中删除没有被标记也就是非存活对象

标记清除算法优缺点

  • 优点:实现简单,只需要在第一阶段给每个对象维护标志位,第二阶段删除对象即可
  • 缺点:碎片化问题;分配速度慢
    1. 碎片化问题:由于内存是连续的,在对象被删除后,内存中会出现很多细小的可用内存单元。对象需要一个比较大的空间,很有可能这些内存单元的大小过小无法进行分配。
    2. 分配速度慢:由于内存碎片的存在,需要维护一个空闲链表,可能每次需要遍历到链表的最后才能获得合适的内存空间

复制算法

核心思想

  • 复制算法的核心思想是:准备两块空间From空间和To空间,每次在对象分配阶段,只能使用其中一块空间(From空间)。在垃圾回收GC阶段,将From中存活对象复制到To空间。将两块空间的From和To名字互换。

完整案例

完整的复制算法的例子:

  1. 将堆内存分割成两块From空间 To空间,对象分配阶段,创建对象
  2. GC阶段开始,将GC Root搬运到To空间
  3. 将GC Root关联的对象,搬运到To空间
  4. 清理From空间,并把名称互换

复制算法的优缺点

  • 优点:吞吐量高、不会发生碎片化
    • 吞吐量高:复制算法只需遍历一次存活对象复制到To空间即可,比标记-整理算法 少一次遍历的过程,因而性能较好,但是不如标记-清除算法,因为标记清除算法不需要进行对象的移动
    • 不会发生碎片化:复制算法在复制之后就会将对象按顺序放入To空间中,所以对象以外的区域都是可用空间,不存在碎片化内存空间
  • 缺点:内存使用效率低
    • 每次只能让一半的内存空间来为创建对象使用

标记整理算法

  • 标记整理算法也叫标记压缩算法,是对标记清理算法中容易产生内存碎片问题的一种解决方案。

核心思想

  • 核心思想分为两个阶段:标记阶段和整理阶段
    1. 标记阶段,将所有存活的对象进行标记。Java中使用可达性分析算法,从GC Root开始通过引用链遍历出所有存活对象
    2. 整理阶段,将存活对象移动到堆的一端。清理掉存活对象的内存空间。

标记整理算法优缺点

  • 优点:内存使用效率高、不会发生碎片化
    • 内存使用效率高:整个堆内存都可以使用,不会像复制算法只能使用半个堆内存
    • 不会发生碎片化:在整理阶段可以将对象往内存的一侧进行移动,剩下的空间都是可以分配对象的有效空间
  • 缺点:整理阶段效率不高
    • 整理算法有很多种,比如Lisp2整理算法需要对整个堆中的对象搜索3次,整体性能不佳。可以通过TwoFinger、表格算法、ImmixGC等高效的整理算法优化此阶段的性能

分代垃圾回收算法

  • 现代优秀的垃圾回收算法,会将上述描述的垃圾回收算法组合进行使用,其中应用最广的就是分代垃圾回收算法(Generational GC)。
  • 分代垃圾回收将整个内存区域划分为年轻代和老年代

arthas查看分代内存情况

  1. 在JDK8中,添加-XX:+UseSerialGC参数使用分代回收的垃圾回收器,运行程序。
  2. 在arthas中使用memory命令查看内存,显示出三个区域的内存情况

核心思想

  • 分代回收时,创建出来的对象,首先会被放入Eden伊甸园区。随着对象在Eden区越来越多,如果Eden区满,新创建的对象已经无法放入,就会触发年轻代的GC,称为Minor GC或者Young GC。Minor GC会把需要eden中和From需要回收的对象回收,把没有回收的对象放入To区。接下来,S0会变成To区,S1变成From区。当eden区满时再往里放入对象,依然会发生Minor GC。此时会回收eden区和S1(from)中的对象,并把eden和from区中剩余的对象放入S0。
  • 注意:每次Minor GC中都会为对象记录他的年龄,初始值为0,每次GC完加1。


  • 如果Minor GC后对象的年龄达到阈值(最大15,默认值和垃圾回收器有关),对象就会被晋升至老年代
  • 当老年代中空间不足,无法放入新的对象时,先尝试minor gc如果还是不足,就会触发Full GC,Full GC会对整个堆进行垃圾回收。
    如果Full GC依然无法回收掉老年代的对象,那么当对象继续放入老年代时,就会抛出Out Of Memory异常。

虚拟机内存参数

  • 根据以下虚拟机参数,调整堆的大小并观察结果。注意加上-XX:+UseSerialGC
参数名 参数含义 示例
-Xms 设置堆的最小和初始大小,必须是1024倍数且大于1MB 比如初始大小6MB的写法: -Xms6291456、-Xms6144k、-Xms6m
-Xmx 设置最大堆的大小,必须是1024倍数且大于2MB 比如最大堆80 MB的写法:-Xmx83886080、-Xmx81920k、-Xmx80m
-Xmn 新生代的大小 新生代256 MB的写法:-Xmn256m、-Xmn262144k、-Xmn268435456
-XX:SurvivorRatio 伊甸园区和幸存区的比例,默认为8新生代1g内存,伊甸园区800MB,S0和S1各100MB 比例调整为4的写法:-XX:SurvivorRatio=4
-XX:+PrintGCDetails/verbose:gc 打印GC日志

StopWorldTest案例代码

java 复制代码
import lombok.SneakyThrows;
import java.util.LinkedList;
import java.util.List;

/**
 * STW测试
 */
public class StopWorldTest {
    public static void main(String[] args) {
        new PrintThread().start();
        new ObjectThread().start();
    }
}

class PrintThread extends Thread{

    @SneakyThrows
    @Override
    public void run() {
        //记录开始时间
        long last = System.currentTimeMillis();
        while(true){
            long now = System.currentTimeMillis();
            System.out.println(now - last);
            last = now;
            Thread.sleep(100);
        }
    }
}

class ObjectThread extends Thread{

    @SneakyThrows
    @Override
    public void run() {
        List<byte[]> bytes = new LinkedList<>();
        while(true){
            //最多存放8g,然后删除强引用,垃圾回收时释放8g
            if(bytes.size() >= 80){
                bytes.clear();
            }
            bytes.add(new byte[1024 * 1024 * 100]);
            Thread.sleep(10);
        }
    }
}

GC案例1

java 复制代码
import java.io.IOException;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

/**
 * 垃圾回收器案例1
 */
//-XX:+UseSerialGC  -Xms60m -Xmn20m -Xmx60m -XX:SurvivorRatio=3  -XX:+PrintGCDetails
//-XX:+UseParNewGC -XX:+UseConcMarkSweepGC  -XX:ConcGCThreads
//-XX:+UseParallelGC  -XX:+UseParallelOldGC
public class GcDemo1 {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        List<Object> list = new ArrayList<>();
        int count = 0;
        while (true){
            System.in.read();
            System.out.println(++count);
            //每次添加1m的数据
            list.add(new byte[1024 * 1024 * 1]);
        }
    }
}

GC案例2

java 复制代码
/**
 * 垃圾回收器案例2
 */
//-XX:+UseSerialGC -Xmn10m -Xmx30m -XX:SurvivorRatio=8  -XX:+PrintGCDetails -verbose:gc
public class GcDemo2 {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        List<Object> list = new ArrayList<>();
        int count = 0;
        while (true){
            System.in.read();
            System.out.println(++count);
            //每次添加1m的数据
            list.add(new byte[1024 * 1024 * 1]);
        }
    }
}
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