学习日志：JVM垃圾回收

lix25602024-07-24 9:14

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前言

当需要排查各种内存溢出问题、当垃圾收集成为系统达到更高并发的瓶颈时，我们就需要对这些"自动化"的技术实施必要的监控和调节。

一、堆空间的基本结构

Java 的自动内存管理主要是针对对象内存的回收和对象内存的分配。

同时，Java 自动内存管理最核心的功能是 堆 内存中对象的分配与回收。

Java 堆是垃圾收集器管理的主要区域，因此也被称作 GC 堆（Garbage Collected Heap）。

从垃圾回收的角度来说，由于现在收集器基本都采用分代垃圾收集算法，所以 Java 堆被划分为了几个不同的区域，这样我们就可以根据各个区域的特点选择合适的垃圾收集算法。

在 JDK 7 版本及 JDK 7 版本之前，堆内存被通常分为下面三部分：

1.新生代内存(Young Generation)

2.老年代(Old Generation)

3.永久代(Permanent Generation)

下图所示的 Eden 区、两个 Survivor 区 S0 和 S1 都属于新生代，中间一层属于老年代，最下面一层属于永久代。

JDK 8 版本之后 PermGen(永久) 已被 Metaspace(元空间) 取代，元空间使用的是直接内存 。

二、内存分配和回收原则

对象优先在 Eden 区分配

大多数情况下，对象在新生代中 Eden 区分配。当 Eden 区没有足够空间进行分配时，虚拟机将发起一次 Minor GC。下面我们来进行实际测试一下。

测试代码：

java 复制代码 
public class GCTest {
  public static void main(String[] args) {
    byte[] allocation1, allocation2;
    allocation1 = new byte[30900*1024];
  }
}

通过以下方式运行：

添加的参数：-XX:+PrintGCDetails

运行结果 (红色字体描述有误，应该是对应于 JDK1.7 的永久代)：

从上图我们可以看出 Eden 区内存几乎已经被分配完全（即使程序什么也不做，新生代也会使用 2000 多 k 内存）。

假如我们再为 allocation2 分配内存会出现什么情况呢？

java 复制代码 
allocation2 = new byte[900*1024];

给 allocation2 分配内存的时候 Eden 区内存几乎已经被分配完了

当 Eden 区没有足够空间进行分配时，虚拟机将发起一次 Minor GC。GC 期间虚拟机又发现 allocation1 无法存入 Survivor 空间，所以只好通过 分配担保机制 把新生代的对象提前转移到老年代中去，老年代上的空间足够存放 allocation1，所以不会出现 Full GC。执行 Minor GC 后，后面分配的对象如果能够存在 Eden 区的话，还是会在 Eden 区分配内存。可以执行如下代码验证：

java 复制代码 
public class GCTest {
  public static void main(String[] args) {
    byte[] allocation1, allocation2,allocation3,allocation4,allocation5;
    allocation1 = new byte[32000*1024];
    allocation2 = new byte[1000*1024];
    allocation3 = new byte[1000*1024];
    allocation4 = new byte[1000*1024];
    allocation5 = new byte[1000*1024];
  }
}

大对象直接进入老年代

大对象就是需要大量连续内存空间的对象（比如：字符串、数组）。

大对象直接进入老年代的行为是由虚拟机动态决定的，它与具体使用的垃圾回收器和相关参数有关。大对象直接进入老年代是一种优化策略，旨在避免将大对象放入新生代，从而减少新生代的垃圾回收频率和成本。

  • G1 垃圾回收器会根据
    -XX:G1HeapRegionSize 参数设置的堆区域大小和
    -XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent 参数设置的阈值， 来决定哪些对象会直接进入老年代。
  • Parallel Scavenge 垃圾回收器中，默认情况下，
    并没有一个固定的阈值(XX:ThresholdTolerance是动态调整的)来决定何时直接在老年代分配大对象。 而是由虚拟机根据当前的堆内存情况和历史数据动态决定。

长期存活的对象将进入老年代

既然虚拟机采用了分代收集的思想来管理内存，那么内存回收时就必须能识别哪些对象应放在新生代，哪些对象应放在老年代中。为了做到这一点，虚拟机给每个对象一个对象年龄（Age）计数器。

大部分情况，对象都会首先在 Eden 区域分配。如果对象在 Eden 出生并经过第一次 Minor GC 后仍然能够存活，并且能被 Survivor 容纳的话，将被移动到 Survivor 空间（s0 或者 s1）中，并将对象年龄设为 1(Eden 区->Survivor 区后对象的初始年龄变为 1)。

对象在 Survivor 中每熬过一次 MinorGC,年龄就增加 1 岁，当它的年龄增加到一定程度（默认为 15 岁），就会被晋升到老年代中。对象晋升到老年代的年龄阈值，可以通过参数 -XX:MaxTenuringThreshold 来设置。

修正（issue552open in new window）："Hotspot 遍历所有对象时，按照年龄从小到大对其所占用的大小进行累积，当累积的某个年龄大小超过了 survivor 区的 50% 时（默认值是 50%，可以通过 -XX:TargetSurvivorRatio=percent 来设置，参见 issue1199open in new window ），取这个年龄和 MaxTenuringThreshold 中更小的一个值，作为新的晋升年龄阈值"。jdk8 官方文档引用：https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/tools/unix/java.htmlopen in new window。

动态年龄计算的代码如下：

cpp 复制代码 
uint ageTable::compute_tenuring_threshold(size_t survivor_capacity) {
//survivor_capacity是survivor空间的大小
size_t desired_survivor_size = (size_t)((((double)survivor_capacity)*TargetSurvivorRatio)/100);
size_t total = 0;
uint age = 1;
while (age < table_size) {
//sizes数组是每个年龄段对象大小
total += sizes[age];
if (total > desired_survivor_size) {
break;
}
age++;
}
uint result = age < MaxTenuringThreshold ? age : MaxTenuringThreshold;
...
}

主要进行 gc 的区域

针对 HotSpot VM 的实现，它里面的 GC 其实准确分类只有两大种：

部分收集 (Partial GC)：

  • 新生代收集（Minor GC / Young GC）：只对新生代进行垃圾收集；
  • 老年代收集（Major GC / Old GC）：只对老年代进行垃圾收集。需要注意的是 Major GC 在有的语境中也用于指代整堆收集；
  • 混合收集（Mixed GC）：对整个新生代和部分老年代进行垃圾收集。

整堆收集 (Full GC)：收集整个 Java 堆和方法区。

空间分配担保

空间分配担保是为了确保在 Minor GC 之前老年代本身还有容纳新生代所有对象的剩余空间。

三、死亡对象判断方法

堆中几乎放着所有的对象实例，对堆垃圾回收前的第一步就是要判断哪些对象已经死亡（即不能再被任何途径使用的对象）。

引用计数法

给对象中添加一个引用计数器：

  • 每当有一个地方引用它，计数器就加 1；
  • 当引用失效，计数器就减 1；
  • 任何时候计数器为 0 的对象就是不可能再被使用的。

这个方法实现简单，效率高，但是目前主流的虚拟机中并没有选择这个算法来管理内存，其最主要的原因是它很难解决对象之间循环引用的问题。

所谓对象之间的相互引用问题，如下面代码所示：除了对象 objA 和 objB 相互引用着对方之外，这两个对象之间再无任何引用。但是他们因为互相引用对方，导致它们的引用计数器都不为 0，于是引用计数算法无法通知 GC 回收器回收他们。

java 复制代码 
public class ReferenceCountingGc {
    Object instance = null;
    public static void main(String[] args) {
        ReferenceCountingGc objA = new ReferenceCountingGc();
        ReferenceCountingGc objB = new ReferenceCountingGc();
        objA.instance = objB;
        objB.instance = objA;
        objA = null;
        objB = null;
    }
}

可达性分析算法

这个算法的基本思想就是通过一系列的称为 "GC Roots" 的对象作为起点，从这些节点开始向下搜索，节点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的话，则证明此对象是不可用的，需要被回收。

下图中的 Object 6 ~ Object 10 之间虽有引用关系，但它们到 GC Roots 不可达，因此为需要被回收的对象。
可以作为 GC Roots的对象

  • 虚拟机栈(栈帧中的局部变量表)中引用的对象
  • 本地方法栈(Native方法)中引用的对象
  • 方法区中类静态属性引用的对象
  • 方法区中常量引用的对象
  • 所有被同步锁持有的对象JNI（Java Native Interface）引用的对象

对象可以被回收，就代表一定会被回收吗？

即使在可达性分析法中不可达的对象，也并非是"非死不可"的，这时候它们暂时处于"缓刑阶段"，要真正宣告一个对象死亡，至少要经历两次标记过程；

可达性分析法中不可达的对象被第一次标记并且进行一次筛选，筛选的条件是此对象是否有必要执行 finalize 方法。

当对象没有覆盖 finalize 方法，或 finalize 方法已经被虚拟机调用过时，虚拟机将这两种情况视为没有必要执行。

被判定为需要执行的对象将会被放在一个队列中进行第二次标记，除非这个对象与引用链上的任何一个对象建立关联，否则就会被真的回收。

引用类型总结

可达性算法中描述的对象引用，一般指的是强引用，即是GCRoot对象对普通对象有引用关系，只要这层关系存在普通对象就不会被回收。

1．强引用（StrongReference）

使用的大部分引用实际上都是强引用，这是使用最普遍的引用。如果一个对象具有强引用，那就类似于必不可少的生活用品，垃圾回收器绝不会回收它。当内存空间不足，Java 虚拟机宁愿抛出 OutOfMemoryError 错误，使程序异常终止，也不会靠随意回收具有强引用的对象来解决内存不足问题。

2．软引用（SoftReference）

软引用相对于强引用是一种比较弱的引用关系，如果一个对象只有软引用关联到它，当程序内存不足时，就会将软引用中的数据进行回收

在JDK 1.2版之后提供了sftReference类来实现软引用，软引用常用于缓存中

3．弱引用（WeakReference）

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。不过，由于垃圾回收器是一个优先级很低的线程， 因此不一定会很快发现那些只具有弱引用的对象。

4．虚引用（PhantomReference）

"虚引用"顾名思义，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。
虚引用主要用来跟踪对象被垃圾回收的活动。

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用，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。程序可以通过判断引用队列中是否已经加入了虚引用，来了解被引用的对象是否将要被垃圾回收。程序如果发现某个虚引用已经被加入到引用队列，那么就可以在所引用的对象的内存被回收之前采取必要的行动。

特别注意，在程序设计中一般很少使用弱引用与虚引用，使用软引用的情况较多，这是因为软引用可以加速 JVM 对垃圾内存的回收速度，可以维护系统的运行安全，防止内存溢出（OutOfMemory）等问题的产生。

废弃常量

运行时常量池主要回收的是废弃的常量。

假如在字符串常量池中存在字符串 "abc"，如果当前没有任何 String 对象引用该字符串常量的话，就说明常量 "abc" 就是废弃常量，如果这时发生内存回收的话而且有必要的话，"abc" 就会被系统清理出常量池了。

无用的类

方法区主要回收的是无用的类

判定一个常量是否是"废弃常量"比较简单，而要判定一个类是否是"无用的类"的条件则相对苛刻许多。类需要同时满足下面 3 个条件才能算是 "无用的类"：

  • 该类所有的实例都已经被回收，也就是 Java 堆中不存在该类的任何实例。
  • 加载该类的 ClassLoader 已经被回收。
  • 该类对应的java.lang.Class 对象没有在任何地方被引用，无法在任何地方通过反射访问该类的方法。

虚拟机可以对满足上述 3个条件的无用类进行回收，这里说的仅仅是"可以"，而并不是和对象一样不使用了就会必然被回收。

四、垃圾收集算法

1.标记-清除算法

标记-清除（Mark-and-Sweep）算法分为"标记（Mark）"和"清除（Sweep）"阶段：首先标记出所有不需要回收的对象，在标记完成后统一回收掉所有没有被标记的对象。

它是最基础的收集算法，后续的算法都是对其不足进行改进得到。这种垃圾收集算法会带来两个明显的问题：

  1. 效率问题：标记和清除两个过程效率都不高。
  2. 空间问题 ：标记清除后会产生大量不连续的内存碎片。

    1.当一个对象被创建时，给一个标记位，假设为 0 (false)；
    2.在标记阶段，我们将所有可达对象（或用户可以引用的对象）的标记位设置为 1 (true)；
    3.扫描阶段清除的就是标记位为 0 (false)的对象。

2.复制算法

为了解决标记-清除算法的效率和内存碎片问题，复制（Copying）收集算法出现了。它可以将内存分为大小相同的两块，每次使用其中的一块。当这一块的内存使用完后，就将还存活的对象复制到另一块去，然后再把使用的空间一次清理掉。这样就使每次的内存回收都是对内存区间的一半进行回收。

虽然改进了标记-清除算法，但依然存在下面这些问题：

  • 可用内存变小：可用内存缩小为原来的一半。
  • 不适合老年代：如果存活对象数量比较大，复制性能会变得很差。

3.标记-整理算法

标记-整理（Mark-and-Compact）算法是根据老年代的特点提出的一种标记算法，标记过程仍然与"标记-清除"算法一样，但后续步骤不是直接对可回收对象回收，而是让所有存活的对象向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存。

由于多了整理这一步，因此效率也不高，适合老年代这种垃圾回收频率不是很高的场景。

4.分代收集算法

当前虚拟机的垃圾收集都采用分代收集算法，这种算法没有什么新的思想，只是根据对象存活周期的不同将内存分为几块。一般将 Java 堆分为新生代和老年代，这样我们就可以根据各个年代的特点选择合适的垃圾收集算法。

比如在新生代中，每次收集都会有大量对象死去，所以可以选择"标记-复制"算法，只需要付出少量对象的复制成本就可以完成每次垃圾收集。而老年代的对象存活几率是比较高的，而且没有额外的空间对它进行分配担保，所以我们必须选择"标记-清除"或"标记-整理"算法进行垃圾收集。

五、垃圾收集器

如果说收集算法是内存回收的方法论，那么垃圾收集器就是内存回收的具体实现。

根据具体应用场景选择适合自己的垃圾收集器。

JDK 默认垃圾收集器（使用 java -XX:+PrintCommandLineFlags -version 命令查看）：

  • JDK 8：Parallel Scavenge（新生代）+ Parallel Old（老年代）
  • JDK 9 ~ JDK20: G1

1.Serial 收集器

Serial（串行）收集器是最基本、历史最悠久的垃圾收集器了。是一个单线程收集器了。它的 "单线程 " 的意义不仅仅意味着它只会使用一条垃圾收集线程去完成垃圾收集工作，更重要的是它在进行垃圾收集工作的时候必须暂停其他所有的工作线程（ "Stop The World" ），直到它收集结束。

它简单而高效（与其他收集器的单线程相比）。Serial 收集器由于没有线程交互的开销，自然可以获得很高的单线程收集效率。Serial 收集器对于运行在 Client 模式下的虚拟机来说是个不错的选择。

2.ParNew 收集器

ParNew 收集器其实就是 Serial 收集器的多线程版本，除了使用多线程进行垃圾收集外，其余行为（控制参数、收集算法、回收策略等等）和 Serial 收集器完全一样。
新生代采用标记-复制算法，老年代采用标记-整理算法。

它是许多运行在 Server 模式下的虚拟机的首要选择，除了 Serial 收集器外，只有它能与 CMS 收集器（真正意义上的并发收集器，后面会介绍到）配合工作。

3.Parallel Scavenge 收集器

Parallel Scavenge 收集器也是使用标记-复制算法的多线程收集器，它看上去几乎和 ParNew 都一样。

java 复制代码 
-XX:+UseParallelGC

    使用 Parallel 收集器+ 老年代串行

-XX:+UseParallelOldGC

    使用 Parallel 收集器+ 老年代并行

Parallel Scavenge 收集器关注点是吞吐量（高效率的利用 CPU）。CMS 等垃圾收集器的关注点更多的是用户线程的停顿时间（提高用户体验）。所谓吞吐量就是 CPU 中用于运行用户代码的时间与 CPU 总消耗时间的比值。 Parallel Scavenge 收集器提供了很多参数供用户找到最合适的停顿时间或最大吞吐量，如果对于收集器运作不太了解，手工优化存在困难的时候，使用 Parallel Scavenge 收集器配合自适应调节策略，把内存管理优化交给虚拟机去完成也是一个不错的选择。
新生代采用标记-复制算法，老年代采用标记-整理算法。

这是 JDK1.8 默认收集器

使用 java -XX:+PrintCommandLineFlags -version 命令查看

java 复制代码 
-XX:InitialHeapSize=262921408 -XX:MaxHeapSize=4206742528 -XX:+PrintCommandLineFlags -XX:+UseCompressedClassPointers -XX:+UseCompressedOops -XX:+UseParallelGC
java version "1.8.0_211"
Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.8.0_211-b12)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.211-b12, mixed mode)

JDK1.8 默认使用的是 Parallel Scavenge + Parallel Old，如果指定了-XX:+UseParallelGC 参数，则默认指定了-XX:+UseParallelOldGC，可以使用-XX:-UseParallelOldGC 来禁用该功能Serial Old 收集器

4.Serial Old 收集器

**Serial 收集器的老年代版本，**它同样是一个单线程收集器。它主要有两大用途：一种用途是在 JDK1.5 以及以前的版本中与 Parallel Scavenge 收集器搭配使用，另一种用途是作为 CMS 收集器的后备方案。

5.Parallel Old 收集器

Parallel Scavenge 收集器的老年代版本 。使用多线程和"标记-整理"算法。在注重吞吐量以及 CPU 资源的场合，都可以优先考虑 Parallel Scavenge 收集器和 Parallel Old 收集器。

6.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。它非常符合在注重用户体验的应用上使用 。
CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是 HotSpot 虚拟机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（基本上）同时工作。

从名字中的Mark Sweep这两个词可以看出，CMS 收集器是一种 "标记-清除"算法实现的，它的运作过程相比于前面几种垃圾收集器来说更加复杂一些。整个过程分为四个步骤：

  1. 初始标记： 暂停所有的其他线程，并记录下直接与 root 相连的对象，速度很快 ；
  2. 并发标记： 同时开启 GC和用户线程，用一个闭包结构去记录可达对象。但在这个阶段结束，这个闭包结构并不能保证包含当前所有的可达对象。因为用户线程可能会不断的更新引用域，所以GC 线程无法保证可达性分析的实时性。所以这个算法里会跟踪记录这些发生引用更新的地方。
  3. 重新标记：重新标记阶段就是为了修正并发标记期间因为用户程序继续运行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一般会比初始标记阶段的时间稍长，远远比并发标记阶段时间短
  4. 并发清除 ：开启用户线程，同时 GC 线程开始对未标记的区域做清扫。

从它的名字就可以看出它是一款优秀的垃圾收集器，主要优点：并发收集、低停顿。但是它有下面三个明显的缺点：

  • 对 CPU 资源敏感；
  • 无法处理浮动垃圾；
  • 它使用的回收算法-"标记-清除"算法会导致收集结束时会有大量空间碎片产生。

CMS 垃圾回收器在 Java 9 中已经被标记为过时(deprecated)，并在 Java 14 中被移除。

7.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.

被视为 JDK1.7 中 HotSpot 虚拟机的一个重要进化特征。它具备以下特点：

  • 并行与并发：G1 能充分利用 CPU、多核环境下的硬件优势，使用多个 CPU（CPU 或者 CPU 核心）来缩短Stop-The-World 停顿时间。部分其他收集器原本需要停顿 Java 线程执行的 GC 动作，G1 收集器仍然可以通过并发的方式让java 程序继续执行。
  • 分代收集：虽然 G1 可以不需要其他收集器配合就能独立管理整个 GC 堆，但是还是保留了分代的概念。
  • 空间整合：与 CMS 的"标记-清除"算法不同，G1 从整体来看是基于"标记-整理"算法实现的收集器；从局部上来看是基于"标记-复制"算法实现的。
  • 可预测的停顿：这是 G1 相对于 CMS 的另一个大优势，降低停顿时间是 G1 和 CMS 共同的关注点，但 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。

G1 收集器的运作大致分为以下几个步骤：

初始标记

并发标记

最终标记

筛选回收

G1 收集器在后台维护了一个优先列表，每次根据允许的收集时间，优先选择回收价值最大的 Region(这也就是它的名字 Garbage-First 的由来) 。这种使用 Region 划分内存空间以及有优先级的区域回收方式，保证了 G1 收集器在有限时间内可以尽可能高的收集效率（把内存化整为零）。

从 JDK9 开始，G1 垃圾收集器成为了默认的垃圾收集器。

8.ZGC 收集器

与 CMS 中的 ParNew 和 G1 类似，ZGC 也采用标记-复制算法，不过 ZGC 对该算法做了重大改进。

ZGC 可以将暂停时间控制在几毫秒以内，且暂停时间不受堆内存大小的影响，出现 Stop The World 的情况会更少，但代价是牺牲了一些吞吐量。ZGC 最大支持 16TB 的堆内存。

ZGC 在 Java11 中引入，处于试验阶段。经过多个版本的迭代，不断的完善和修复问题，ZGC 在 Java15 已经可以正式使用了。

不过，默认的垃圾回收器依然是 G1。你可以通过下面的参数启用 ZGC：

java 复制代码 
java -XX:+UseZGC className

在 Java21 中，引入了分代 ZGC，暂停时间可以缩短到 1 毫秒以内。

你可以通过下面的参数启用分代 ZGC：

java 复制代码 
java -XX:+UseZGC -XX:+ZGenerational className
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