【JVM】Java虚拟机（二）——垃圾回收

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;
    }
}

（二）可达性分析算法

Java通过GC Roots对象作为起点，向下搜索引用链。若对象与GC Roots无引用链相连，则判定为可回收。

GC Roots包括：

虚拟机栈中引用的对象（如局部变量）
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
本地方法栈中JNI引用的对象
同步锁持有的对象
活跃线程对象

引用类型与回收策略

引用类型	回收条件	示例
强引用	永不回收（除非显式置为`null`）	`Object obj = new Object()`
软引用（Soft）	内存不足时回收	`SoftReference<Object> ref`
弱引用（Weak）	下次GC必然回收	`WeakReference<Object> ref`
虚引用（Phantom）	仅用于回收跟踪	`PhantomReference<Object> ref`

对象死亡过程

强引用

只有所有 GC Roots 对象都不通过【强引用】引用该对象，该对象才能被垃圾回收

软引用（SoftReference）

仅有软引用引用该对象时，在垃圾回收后，内存仍不足时会再次出发垃圾回收，回收软引用对象

可以配合引用队列来释放软引用自身

弱引用（WeakReference）

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

可以配合引用队列来释放弱引用自身

虚引用（PhantomReference）

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

终结器引用（FinalReference）

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

二、垃圾回收算法

（一）标记清除

定义： Mark Sweep

速度较快
会造成内存碎片

（二）标记整理

定义：Mark Compact

速度慢
没有内存碎片

（三）复制

定义：Copy

不会有内存碎片
需要占用双倍内存空间

（四）分代垃圾回收

年轻代（Young Generation）
- 对象分配：新对象在Eden区创建
- 回收算法：复制算法（Minor GC）
- 过程：
  1. Eden（伊甸园） + S0（From）存活对象复制到S1（To）
  2. 清空Eden（伊甸园）和S0（From）
  3. S0（From）与S1（To）角色交换
- 晋升条件：对象年龄（经历GC次数）达到阈值（默认15），或Survivor区空间不足
老年代（Old Generation）
- 存放长期存活对象
- 回收算法：标记-清除或标记-整理（Major GC/Full GC）
- 触发条件：年轻代晋升失败或空间不足

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并且交换 From 和 To

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

算法	原理	优点	缺点
标记-清除	1. 标记所有活动对象 2. 清除未标记对象	实现简单	内存碎片化，分配效率低
复制	内存分为两块，每次使用一块。GC时将存活对象复制到另一块，清空当前块。	无碎片，高效	内存利用率仅50%
标记-整理	1. 标记活动对象 2. 将存活对象向内存一端移动 3. 清理边界外内存	无碎片，内存利用率高	对象移动开销大
分代收集	结合多种算法，按对象生命周期分区管理	综合性能最优（主流方案）	实现复杂

（五）相关 VM 参数

含义	参数
堆初始大小	-Xms
堆最大大小	-Xmx 或 -XX:MaxHeapSize=size
新生代大小	-Xmn 或 (-XX:NewSize=size + -XX:MaxNewSize=size )
幸存区比例（动态）	-XX:InitialSurvivorRatio=ratio 和 -XX:+UseAdaptiveSizePolicy
幸存区比例	-XX:SurvivorRatio=ratio
晋升阈值	-XX:MaxTenuringThreshold=threshold
晋升详情	-XX:+PrintTenuringDistribution
GC详情	-XX:+PrintGCDetails -verbose:gc
FullGC 前 MinorGC	-XX:+ScavengeBeforeFullGC

三、垃圾回收器

串行（Serial）

单线程
堆内存较小，适合个人电脑

吞吐量优先（Parallel Scavenge）

多线程
堆内存较大，多核 cpu
让单位时间内，STW 的时间最短 0.2 0.2 = 0.4，垃圾回收时间占比最低，这样就称吞吐量高

响应时间优先（CMS）

多线程
堆内存较大，多核 cpu
尽可能让单次 STW 的时间最短 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 = 0.5

（一）串行（Serial）

-XX:+UseSerialGC = Serial + SerialOld

（二）吞吐量优先（Parallel Scavenge）

-XX:+UseParallelGC ~ -XX:+UseParallelOldGC

-XX:+UseAdaptiveSizePolicy

-XX:GCTimeRatio=ratio

-XX:MaxGCPauseMillis=ms

-XX:ParallelGCThreads=n

（三）响应时间优先（CMS）

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

-XX:ParallelGCThreads=n ~ -XX:ConcGCThreads=threads

-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=percent

-XX:+CMSScavengeBeforeRemark

（四）G1

G1 (Garbage-First) 是Java 7引入、Java 9成为默认的垃圾回收器，专为大内存、低延迟场景设计，替代了传统的CMS回收器。

核心特点

分区模型：将堆划分为多个等大小的Region（默认约2048个）
分代收集：保留新生代/老年代概念，但物理不连续
可预测停顿 ：通过-XX:MaxGCPauseMillis设置目标停顿时间
并发标记：与应用程序线程并行工作
混合回收：同时清理新生代和老年代区域

（一）G1 垃圾回收阶段

Young Collection

会 STW

Young Collection + CM

在 Young GC 时会进行 GC Root 的初始标记
老年代占用堆空间比例达到阈值时，进行并发标记（不会 STW），由下面的 JVM 参数决定

-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=percent （默认45%）

Mixed Collection

会对 E、S、O 进行全面垃圾回收

最终标记（Remark）会 STW
拷贝存活（Evacuation）会 STW

-XX:MaxGCPauseMillis=ms

（二）核心阶段详解

(1) 年轻代GC（Young GC）

触发条件：Eden区满时
过程：
1. STW（Stop-The-World）开始
2. 构造回收集（Collection Set = Eden + Survivor）
3. 复制存活对象到新Survivor区
4. 年龄达到阈值（默认15）的对象晋升老年代

(2) 并发标记周期

触发条件：老年代占用超过IHOP阈值（默认45%）
阶段组成：
- 初始标记（STW）：伴随Young GC进行
- 根区域扫描：扫描Survivor区引用
- 并发标记：标记存活对象（与应用并发）
- 最终标记（STW）：处理SATB缓冲区
- 清理（STW）：统计完全空闲Region

(3) 混合回收（Mixed GC）

回收包含年轻代Region + 高收益的老年代Region
根据垃圾比例排序Region（Garbage-First原则）
多次执行直到满足回收目标

（三）G1关键调优参数

基础配置

参数	默认值	说明
`-XX:+UseG1GC`	-	启用G1回收器
`-Xms` / `-Xmx`	-	堆初始/最大大小（建议设相同值）
`-XX:MaxGCPauseMillis`	200ms	目标最大停顿时间

区域配置

参数	默认值	说明
`-XX:G1HeapRegionSize`	1-32MB	Region大小（2的幂次）
`-XX:G1NewSizePercent`	5%	新生代最小占比
`-XX:G1MaxNewSizePercent`	60%	新生代最大占比

并发周期控制

参数	默认值	说明
`-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent`	45%	IHOP阈值（触发并发标记）
`-XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent`	85%	Region存活对象低于此值才回收
`-XX:G1HeapWastePercent`	5%	可回收垃圾占比阈值（停止Mixed GC）

四、垃圾回收调优

（一）调优领域

内存
锁竞争
cpu
占用 io

（二）确定目标

【低延迟】还是【高吞吐量】，选择合适的回收器
CMS，G1，ZGC
ParallelGC
Zing

（三）最快的 GC

答案是不发生 GC

查看 FullGC 前后的内存占用，考虑下面几个问题

数据是不是太多？

resultSet = statement.executeQuery("select * from 大表 limit n")

数据表示是否太臃肿？

对象图
对象大小 16 Integer 24 int 4

是否存在内存泄漏？

static Map map =
软
弱
第三方缓存实现

（四）新生代调优

新生代的特点
- 所有的 new 操作的内存分配非常廉价
  - TLAB thread - local allocation buffer
- 死亡对象的回收代价是零
- 大部分对象用过即死
- Minor GC 的时间远远低于 Full GC
越大越好吗？

新生代能容纳所有【并发量＊(请求 - 响应)】的数据
幸存区大到能保留【当前活跃对象 + 需要晋升对象】

晋升阈值配置得当，让长时间存活对象尽快晋升

-XX:MaxTenuringThreshold = threshold
-XX:+PrintTenuringDistribution

java 复制代码

Desired survivor size 48286924 bytes, new threshold 10 (max 10)

age 1: 28992024 bytes, 28992024 total
age 2: 1366864 bytes, 30358888 total
age 3: 1425912 bytes, 31784800 total ...

（五）老年代调优

以 CMS 为例

CMS 的老年代内存越大越好
先尝试不做调优，如果没有 Full GC 那么已经...，否则先尝试调优新生代
观察发生 Full GC 时老年代内存占用，将老年代内存预设调大 1/4 ~ 1/3
- -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=percent