Java垃圾回收器笔记

码以致用2026-04-13 10:49

memory leak：未回收的垃圾

oom：memory leak达到一定程度无法再分配内存

一、判断垃圾

  1. 引用计数

无法解决循环引用问题，比如A->B->C->A。python是这样判定的

  1. Root可达判定

GC Roots：

  • 方法区类静态属性
  • 方法区常量
  • 虚拟机栈局部变量表
  • 本地方法栈JNI

引用：有4种，引用强度依次减弱

  • 强引用，只要存在就不会被回收
  • 软引用，系统将要发生OOM前，把这些对象列到回收范围进行第二次回收，若还没有足够的内存则OOM
  • 弱引用，GC只要工作就会回收这些对象
  • 虚引用，不会影响对象生命周期，不能通过虚引用取得一个对象实例，唯一目的是能在虚引用对象被回收时收到一个系统通知

如果对象在进行可达性分析后发现没有与GC Roots相连接的引用链，那它将会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，或者finalize()方法已经被虚拟机调用过，虚拟机将这两种情况都视为"没有必要执行"，若有必要执行，则会调用对象的finalize()，此时是对象的最后一次自救机会

二、GC算法

堆回收：

  • 分代算法：mark-sweep、copy、mark-compact，分新生代和老年代，各自用不同的GC算法
  • 分区算法：适用于大内存，不同区用同一种GC算法，分区内部分代

方法区回收：

  • 废弃常量：如果没有对象引用该常量，即回收
  • 无用类：同时满足以下三条件，根据-Xnoclassgc控制是否回收
    • 该类所有实例已被回收
    • 加载该类的ClassLoader已被回收
    • 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

1. GC Root扫描

在HotSpot的实现中，是使用一组称为OopMap的数据结构来达到这个目的的，在类加载完成的时候，HotSpot就把对象内什么偏移量上是什么类型的数据计算出来，在JIT编译过程中，也会在特定的位置记录下栈和寄存器中哪些位置是引用。这样，GC在扫描时就可以直接得知这些信息了，这样可以很快完成GC root扫描

2. 如何发起GC

为防止使用OopMap时出现引用关系变化影响GC，因此就要停顿下来，但为了防止影响效率，HotSpot没有为每条指令都生成OopMap，只是在"特定的位置"记录了这些信息，这些位置称为安全点（Safepoint），即程序执行时并非在所有地方都能停顿下来开始GC，只有在到达安全点时才能暂停。

如何在GC发生时让所有线程都跑到安全点再停顿下来？主要使用抢断式中断，不需要线程的执行代码主动配合，在GC发生时首先把所有线程全部中断，如果有线程中断的地方不在安全点上，就继续运行直至到安全点。但当线程处于sleep或blocked状态时，线程无法响应中断，所以扩展安全点到安全区域，安全区域是指在一段代码片段之中，引用关系不会发生变化。在这个区域中的任意地方开始GC都是安全的。线程执行到安全区域时首先标记自己进入了此区域，GC发生时这些线程会正常停顿，当线程要离开此区域前先检查是否完成了GC root扫描，只有完成扫描了才可以离开

3. 典型的分代算法

分配内存的规则：

  • 对象优先在新生代的Eden分配
  • 大对象直接进入老年代（-XX:PretenureSizeThreshold 默认是0即任何情况下都先分到Eden区，也可设置一个大于0的值表示大于此值时直接分到老年代）
  • 长期存活的对象将进入老年代（-XX:MaxTenuringThreshold 默认经过15次GC仍未回收的）
  • 动态年龄判断（相同年龄的总和大于Survivor一半，年龄不小于此的对象直接进入老年代）
  • Young GC后存活对象大于Survivor，直接放到老年代
  • 老年代空间分配担保（依次进行两类判断，在执行任何一次Young GC之前，先检查一下老年代可用内存是否大于新生代所有对象的总大小。如果大于则可放心Young GC，如果小于看-XX:HandlePromotionFailure，若为false则直接Full GC，若为true则检查老年代可用内存是否大于之前每次Young GC后进入老年代的平均大小，若小于则Full GC，若大于则Young GC，存活对象若大于老年代可用内存则又Full GC。若还是不够用则触发OOM）

Minor GC：新生代GC

Full GC/Major GC：老年代GC，会产生stop-the-world

整体详细过程：

部分对象可以直接分配到栈上，栈帧pop后直接回收而不需要GC复杂算法，效率很高，但需要满足两个条件：1、通过逃逸分析；2、标量替换

TLAB（Thread Local Allocation Buffer 线程本地分配缓冲区）如果直接把新生成的对象放到Eden区会产生竞争，为分配对象时提升效率，给每个线程分配个TLAB，每个线程的对象优先分配到这里

三、GC垃圾回收器

1. serial、serialOld

单线程，使用copying算法，只适用于小内存比如几K到几十M

2. parallel scavenge、parallel marksweep

多线程，java8默认，适用于几G

新生代和老年代的默认比例是1:2

3. ParNew、CMS （concurrent mark sweep）

适用于几十G

使用ParNew和CMS垃圾回收器，ParNew与Parallel scavenge类似，只是为了配合CMS增强了部分功能而已。

新生代和老年代的默认比例是1:2，ParNew默认使用与CPU核心数相同的线程数并发处理新生代，CMS默认启动的垃圾回收线程数是（CPU核心数+3）/4 处理老年代

并发、低STW，第一种支持GC与工作线程并发的垃圾回收器，有很多缺陷，未被任何一种JVM作为默认垃圾回收器

过程：

  • 初始标记：STW，只标记root可达的第一级对象，工作量小，因此STW很短
  • 并发标记：工作线程与GC线程并发，使用三色标记算法，容易出现两种情况：1.浮动垃圾，标记时不是垃圾后来又变成垃圾，会在下次GC时被清除，不影响GC正确性；2.漏标，灰白消失黑白出现，标记时是垃圾后来不是垃圾，出现野指针
  • 重新标记：STW，为应对并发标记漏标，CMS使用Incremental Update重新标记黑变灰的节点
  • 并发清理：清理垃圾对象（白色对象），产生碎片

并发标记阶段产生漏标的原因：不同垃圾回收线程间会存在覆盖标记的现象，比如两个GC线程分别处理一个对象两属性，A1属性指向D后，GC1将A变灰，GC2扫描完A2属性后，将A对象置黑，覆盖了GC1的标记，此时会漏标D

Concurrent Mode Failure问题：

老年代根据-XX:CMSInitiatingOccupancyFaction默认预留8%内存给并发清理期间新进入老年代的对象，若预留空间仍不够用则会出现Concurrent Mode Failure问题，自动使用Serial Old替换CMS执行STW，重新进行单线程GC Roots追踪并回收垃圾，系统卡死的时间可能很长

内存碎片问题：

标记清理算法会产生很多内存碎片。-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection默认打开，即Full GC后STW进行碎片整理。-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction，指定执行多少次Full GC后进行碎片整理，默认每次执行Full GC后都碎片整理，两个参数一般不用改

4. G1

逻辑分代，物理不分代，适于于上百G大内存

把JVM堆内存分为多个大小相等的Region，且某些Region属于新生代，某些属于老年代，是动态变化的

JVM默认分为2048个Region，也可通过-XX:G1HeapRegionSize指定Region大小，Region大小必须是2的整数倍

新生代一开始占堆内存的5%，可通过-XX:G1NewSizePercent设置初始占比，运行过程中会不断增大，但默认最多不超过60%，可通过-XX:G1MaxNewSizePercent设置最大比例

可设置垃圾回收的预期停顿时间，G1做到这点需要跟踪每个Region的回收价值，回收价值即单位时间可回收的内存量，尽可能地保证STW时间在停顿时间范围内

Minor GC：与ParNew类似，不过大对象不是到老年代，而是超过Region大小的50%的对象作为大对象，进行特殊处理，如果对象过大，可以横跨多个Region存储

Full GC：-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent默认45%，老年代占堆内存超过45%时触发Full GC。使用三色标记算法，不过在重新标记阶段，追踪黑白新生的连接，然后将白标黑下次再扫描。在并发清理阶段，使用复制算法而非CMS的标记清理算法那样不会产生内存碎片，-XX:G1HeapWastePercent默认是5%，基于复制算法把Region存活的对象放入其他Region，然后清除掉本来的Region。那么当空闲的Region数量达到堆内存的5%，就会立即停止混合回收，-XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent默认是85%，要回收的Region存活对象必须少于85%才可以被回收掉，否则复制成本会很高。如果在复制的时候发现没有空闲的Region可以承载存活的对象，那么会触发失败，立马停止系统进程，采用单线程进行标记、清理和压缩整理，空闲出一批Region，这个过程是极慢的

四、三色标记算法 白灰黑

标记：

标记结束后未标到的是垃圾，如果漏标了说明多标了垃圾

三色：

白色：未被标记（若重新标记完成时仍是白色则是垃圾）

灰色：自身被标记，指向的对象存在未标记的

黑色：自身、指向的对象均完成标记

漏标的对策：

CMS：Incremental update 增量更新，黑色对象一旦新插入了指向白色对象的引用之后， 它就变回灰色对象了。重新标记的时候会暂停线程（STW）重新扫描变灰的旧黑对象

G1：SATB（Snapshot At the Beginning） 原始快照，当灰色对象要删除指向白色对象的引用关系时， 就将这个要删除的引用记录下来， 在并发扫描结束之后，再将这些记录过的引用关系中的灰色对象为根， 重新扫描一次，这样就能扫描到白色的对象，将白色对象直接标记为黑色，目的就是让这种对象在本轮gc清理中能存活下来，待下一轮gc的时候重新扫描，这个对象也有可能是浮动垃圾

五、记忆集与卡表

所有涉及部分区域收集（Partial GC） 行为的垃圾收集器， 典型的如G1、 ZGC和Shenandoah收集器， 都会面临跨代、跨区引用的问题，如果再去跨区域扫描，效率会很低

记忆集（Remember Set）：存储某一块非收集区域是否存在指向收集区域的指针

卡表（Card Table）：hotspot的记忆集实现，每个元素对应着其标识的内存区域一块特定大小的内存块，称为"卡页"，hotSpot使用的卡页是2^9大小，即512字节

六、jvm参数调优

调优：

  • 预调优：根据需求进行jvm规划和优化
  • 优化jvm运行环境（cpu满载，可以用jstask查看线程情况，为了方便排查，开发代码时要定义线程池里每个线程的名称）
  • 解决各种OOM问题，（tcpdump把流量复制一份到测试环境进行真实测试）

-verbose:gc -Xms20M -Xmx20M -Xmn10M -XX:+PrintGCDetails -XX:SurvivorRatio=8

1、标准参数

-开头，任何版本都有

-version

-verbose:gc 查看内存回收情况，与-XX:+PrintGC功能一样，只是这个是稳定版本

-verbose:class 查看类加载情况

-verbose:jni 查看本地方法调用情况

2、非标参数

-X开头，有可能将来会替换

java -X -help 查看所有同类参数-

-Xms：最小内存：注意如果不设置最小内存，默认会设为物理内存的64分之一，建议设成与Xmx一致，避免因所使用的Java堆内存不够导致频繁full gc以及full gc中因动态调节Java堆大小而耗费延长其周期

-Xmx：最大内存

-Xoss：设置本地方法栈大小（HotSpot虚拟机不区分虚拟机栈和本地方法栈，无效）

-Xss：设置虚拟机栈大小（HotSpot中即虚拟机栈和本地方法栈总大小）

-Xmn：新生代

-Xint：禁止编译器运行，强制使用纯解释方式执行字节码，尽量不要用

-Xloggc:../gclogs/gc.log.date：指定 GC log 的路径

-Xverify:none：禁止字节码验证，在代码稳定时可以用

3、-XX

java -XX:+PrintCommandLineFlags -version 查看jvm默认启动参数

-XX:+PrintFlagsFinal 所有-XX参数当前值

-XX:+PrintFlagsInitial 所有-XX参数默认值

-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError：JVM 就会在发生OOM时抓拍下当时的内存状态，也就是我们想要的堆转储文件。

-XX:+HeapDumpOnCtrlBreak：不想等到发生崩溃性的错误时才获得堆转储文件

-XX:+TraceClassLoading：追踪类加载过程

打印GC：

  • -XX:+PrintGC：打印GC日志
  • -XX:+PrintGCDetails：打印 GC 详情，包括 GC 前/内存等。
  • -XX:+PrintGCDateStamps：打印GC的时间戳（以日期的形式，如 2017-09-04T21:53:59.234+0800）
  • -XX:+PrintTenuringDistribution：打印 GC 发生时的代龄信息。
  • -XX:+PrintGCApplicationStoppedTime：打印 GC 停顿时长
  • -XX:+PrintGCApplicationConcurrentTime：打印 GC 间隔的服务运行时长

垃圾回收器：

  • -XX:+UseSerialGC：使用Serial和Serial Old收集器组合进行内存回收
  • +XX:+UseG1GC：使用G1
  • -XX:+UseParallelGC：使用Parallel Scanvenge和Parallel MarkSweep分别清理新生代和老年代
  • -XX:+UseParNewGC：使用ParNew作为新生代垃圾回收器
  • -XX:+UseConcMarkSweepGC：使用CMS作为老年代垃圾回收器
  • -XX:PretenureSizeThreshold=3145728：设置Serial、ParNew收集器的大对象最小字节数
  • -XX:MaxTenuringThreshold：对象晋升老年代的年龄阈值
  • -XX:SurvivorRatio=8：GC的复制算法中Survivor区域占总区域（2*Survivor+Eden）的1/(1+1+8)
  • -XX:+DisableExplicitGC：屏蔽System.gc()

方法区：

  • -verbose:class -XX:+TraceClassLoading、-XX:+TraceClassUnLoading：查看类加载和卸载信息
  • -XX:PermSize：方法区大小
  • -XX:MaxPermSize：最大方法区大小
  • -XX:MaxMetaspaceSize：1.8元数据区

指针压缩：

不再保存所有引用，而是每隔8个字节保存一个引用，当引用被存入64位的寄存器时，JVM将其左移3位（相当于末尾添加3个0），当从寄存器读出时，JVM又可以右移3位，丢弃末尾的0

  • -XX:+UseCompressedClassPointers
  • -XX:+UseCompressedOops

七、命令行工具

1. jstack

打印堆栈信息

"Thread-1" 是线程的名字，prio 是线程的优先级，tid 是线程id， nid 是本地线程id， waiting to lock 等待去获取的锁，locked 自己拥有的锁。

复制代码 
"Thread-1" #11 prio=5 os_prio=0 tid=0x0000000055ff1800 nid=0x1bd4 waiting for monitor entry [0x0000000056e2e000]
   java.lang.Thread.State: BLOCKED (on object monitor)
        at com.itdragon.keyword.ITDragonDeadLock.rightLeft(ITDragonDeadLock.java:37)
        - waiting to lock <0x00000000ecfdf9d0> (a java.lang.Object)
        - locked <0x00000000ecfdf9e0> (a java.lang.Object)
        at com.itdragon.keyword.ITDragonDeadLock$2.run(ITDragonDeadLock.java:54)
        at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

2. jps

jps 进程名

jps -m main方法接受的参数

jps -v jvm参数

3. jinfo

jinfo pid

java进程信息

4. jstack

jstack pid

列出进程里所有的线程

5. jmap

jmap pid

-histo:live 查看堆情况，每个类对应的实例数量和占用的字节数。只要用就会触发Full GC

-dump:format=b,file=heap dump hprof格式的堆内存

-heap 显示堆内存概况

-clstats 类加载器统计信息

6. jcmd

jcmd pid

Thread.print， 打印线程栈信息

GC.class_histogram， 查看系统中类统计信息

GC.heap_dump， 导出堆信息，与jmap -dump功能一样

GC.run_finalization， 触发finalize()

GC.run， 触发Full gc()

VM.uptime， VM启动时间

VM.flags， 获取JVM启动参数

VM.system_properties， 获取系统Properties

VM.command_line， 启动时命令行指定的参数

VM.native_memory [summary | detail | baseline | summary.diff | detail.diff | shutdown] [scale= KB | MB | GB] 查看堆外内存，需要首先开启-XX参数启用堆外内存追踪，-XX:NativeMemoryTracking=[off | summary | detail]，需要注意的是会造成5至10的性能损失

7. jhat

分析jvm heapdump文件，建立一个http服务器方便用户访问

8. javap

分析class文件字节码

javap -verbose Test.class

9. jstat

jstat -gc pid 静态输出统计

jstat -gc pid 1000 每1000毫秒输出统计

sudo -u impala jstat -gcutil $(pgrep -f IMPALAD) 10000

单位：容量KB

  • S0C：第一个幸存区的大小
  • S1C：第二个幸存区的大小
  • S0U：第一个幸存区的使用大小
  • S1U：第二个幸存区的使用大小
  • EC：伊甸园区的大小
  • EU：伊甸园区的使用大小
  • OC：老年代大小
  • OU：老年代使用大小
  • MC：方法区大小
  • MU：方法区使用大小
  • CCSC:压缩类空间大小
  • CCSU:压缩类空间使用大小
  • CCSMN：最小压缩类空间大小
  • CCSMX：最大压缩类空间大小
  • YGC：年轻代垃圾回收次数
  • YGCT：年轻代垃圾回收消耗时间
  • FGC：老年代垃圾回收次数
  • FGCT：老年代垃圾回收消耗时间
  • GCT：垃圾回收消耗总时间
  • NGCMN：新生代最小容量
  • NGCMX：新生代最大容量
  • NGC：当前新生代容量
  • OGCMN：老年代最小容量
  • OGCMX：老年代最大容量
  • OGC：当前老年代大小
  • OC:当前老年代大小
  • MCMN:最小元数据容量
  • MCMX：最大元数据容量
  • MC：当前元数据空间大小
  • TT:对象在新生代存活的次数
  • MTT:对象在新生代存活的最大次数
  • DSS:期望的幸存区大小
  • LGCC:最近一次GC的原因
  • Compiled：最近编译方法的数量
  • Size：最近编译方法的字节码数量
  • Type：最近编译方法的编译类型。
  • Method：方法名标识。
  • Loaded:加载class的数量
  • Bytes：所占用空间大小
  • Unloaded：未加载数量
  • Bytes:未加载占用空间
  • Time：时间

10. pmap

报告进程的内存映射情况

pmap -x pid | sort -n -k3

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