【JVM学习笔记】第三篇 JVM垃圾回收

3.1 如何判断对象可以垃圾回收

两种算法：引用计数法和可达性分析算法

1. 引用计数法（Python解释器早期使用的垃圾回收策略）
   描述：只要一个对象被其他变量所引用，就让它的计数加1；如果某个变量不再引用它，就让它的计数减1。当它的引用数量为0时，记为垃圾并等待回收

   弊端：循环引用问题。也就是A对象引用B对象，B对象引用A对象，引用永不为0，永远无法回收

2. 可达性分析算法（Java虚拟机采用的垃圾回收策略）

   描述：首先要确定一系列根对象（肯定不能被当成垃圾回收的对象，即GC Root对象），也就是先对堆内存中的所有对象进行一遍扫描，之后查看对象是否被根对象直接或间接引用（引用链），如果是则该对象不能被回收；如果不是则该对象可作为垃圾被回收

   GC Root对象：通过工具Memory Analyzer（专业内存分析工具）进行分析得知，GC Root对象主要有：

   • System Class（java.lang.Class）
   • Native Stack（本地方法栈）
   • Thread（活动线程）
   • Busy Monitor（锁对象）

   概括起来GCRoot对象就是：

   • 虚拟机栈中的局部变量表引用的对象
   • 方法区中类静态属性引用和常量引用对象
   • 本地方法栈中引用的对象

JVM中的几种引用：

1. 强引用

   特点：GC时永远不会被回收

   描述：强引用是指创建一个对象并把这个对象赋给一个引用变量。比如：

   Object object = new Object();
   String str = "hello";
   

   强引用有引用变量指向时永远不会被垃圾回收，JVM宁愿抛出OutOfMemory错误也不会回收这种对象。强引用也是 导致内存泄露的主要原因

2. 软引用

   特点：内存不足时（自动触发GC）会被回收

   描述：如果一个对象具有软引用，内存空间足够，垃圾回收器就不会回收它；如果内存空间不足了，就会回收这些对象的内存。只要垃圾回收器没有回收它，该对象就可以被程序使用。在java中，用java.lang.ref.SoftReference类来表示。可以配合引用队列来释放软引用自身

3. 弱引用

   特点：无论内存是否充足，只要进行GC都会被回收

   描述：弱引用也是用来描述非必需对象的，当JVM进行垃圾回收时，无论内存是否充足，都会回收被弱引用关联的对象。在java中，用java.lang.ref.WeakReference类来表示。可以配合引用队列来释放弱引用自身

4. 虚引用
   特点：如同虚设，和没有引用没什么区别

   描述：虚引用和前面的软引用、弱引用不同，它并不影响对象的生命周期。在java中用java.lang.ref.PhantomReference类表示。使用时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内存。如果一个对象与虚引用关联，则跟没有引用与之关联一样，在任何时候都可能被垃圾回收器回收

5. 终结器引用

   特点：无需手动编码，其内部配合引用队列使用

   描述：它用于实现对象的 finalize() 方法，也可以称为终结器引用。在GC时， 终结器引用入队。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

3.2 垃圾回收算法

常见回收算法：

1. 标记清除（Mark Sweep）

   • 先标记：沿着GCRoot引用链扫描，把没有引用到的对象作为待回收的垃圾标记起来
   • 后清除：释放标记对象的内存，也就是将对象起止内存编号存入空闲地址列表，以便再次内存分配
   • 优势：垃圾回收速度快
   • 弊端：空间不连续，容易产生内存碎片

2. 标记整理（Mark Compact）

   • 先标记：同上
   • 后整理：将存活着的对象整理在一起，覆盖掉之前标记的内存，使内存空间更紧凑
   • 优势：不会产生内存碎片
   • 弊端：工作量大，速度慢

3. 复制（Copy）

   • 先分区：将内存区划成两块大小相等的区域（FROM区域和TO区域）

   • 再标记：同上

   • 复制并交换：将FROM区域的存活对象整理在一起复制到TO区域，并将两个区域交换（即FROM区域变成TO区域，TO区域变成FROM区域）

   • 优势：不会产生内存碎片

   • 弊端：会占用双倍的内存空间

小结：在JVM中以上三种回收算法其实都会涉及到，由JVM根据内存占用的情况进行决策具体使用哪些算法

3.3 分代垃圾回收

分代垃圾回收策略将堆内存划分为两个区域，即新生代和老年代。其中新生代又由伊甸园、幸存区FROM和幸存区TO构成

划分理由：Java中有的对象需要长时间使用，所以就放在老年代；而那些用完之后就可以丢弃的对象就放在新生代。老年代的垃圾回收很久才发生一次，新生代的垃圾回收则比较频繁。这样一来，可以根据对象生命周期的不同特点实施不同的垃圾回收策略

分配与回收的具体过程：

• 对象首先分配在伊甸园区域，如果对象所占空间大于伊甸园的空间小于老年代的空间，则直接将该对象晋升到老年代
• 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算法复制到to中，存活的对象年龄加1，其余对象被回收，之后交换from和to
• minor gc会引发stop the world，也就是会暂停所有其他用户线程等垃圾回收结束，用户线程才恢复运行。但minor gc速度很快，停顿时间较短
• 当对象寿命超过阈值（最大15）时，会晋升到老年代
• 当老年代空间不足时，会先触发一次minor gc，如果之后空间仍不足，则触发full gc（老年代存活的对象更多，且老年代不再采用复制算法作为垃圾回收算法，所以停顿时间更长）
• 如果空间仍不足，则抛出OutOfMemoryException

附加知识：堆内存相关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:InitalSurvivorRatio=ratio和 -XX:+UseAdaptiveSizePolicy
幸存区比例	-XX:InitalSurvivorRatio=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

注意：一个线程内的堆内存溢出并不会使整个程序崩溃，只会抛出一个OOM异常

3.4 垃圾回收器

1. 串行

   • 底层是一个单线程的垃圾回收器

   • 应用场景是堆内存较小，个人电脑（CPU个数较少）

   • 开启串行垃圾回收器的VM参数：

     -XX:+UserSerialGC=Serical+SerialOld

2. 吞吐量优先（JDK1.8默认）

   • 多线程
   • 应用场景是堆内存较大，多核CPU
   • 注重让单位时间内STW的时间最短，即清理更彻底
   • 开启该回收器的参数为：
     -XX:+UseParallelGC
   • 优化参数：

     • -XX:ParallelGCThreads=n指定垃圾回收器的线程数

     • -XX:+UseAdaptiveSizePolicy动态调整新生代内伊甸园的大小

     • -XX:GCTimeRatio=ratio垃圾回收时间在总时间中的占比默认1%，开启此参数VM将会动态调整堆的大小来适应这个比值

     • -XX:MaxGCPauseMillis=ms设置单次最长垃圾回收时间，默认不超过200ms

3. 响应时间优先

   • 多线程

   • 应用场景是堆内存较大，多核CPU

   • 注重尽可能让单次STW的时间最短，即清理更快

   • 是工作在老年代的垃圾回收器，能与用户线程并发进行，STW的时间短。但并发失败时会退化成一个单线程的串行垃圾回收器

   • 由于采用Mark Sweep算法进行垃圾清除，当产生的内存碎片过多无法再分配对象时，会导致并发失败（最大的问题）

   • 开启该回收器的VM参数为：-XX:UseConcMarkSweepGC

   • 优化参数：

     • -XX:ConcGCThreads=n指定垃圾回收器的线程数，一般为总CPU数 $\div$4

     • -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=percent指定为浮动垃圾预留的空间占比，超过这个比值将触发该垃圾回收器。这个值越小越早触发垃圾回收器

     • -XX:+CMSScavengeBeforeRemark在重新标记（第二次STW）之前先执行一次清理，避免重复标记，缩短STW的时间

4. G1（JDK9及以上默认）：

   • 新一代垃圾收集器，取代了CMS垃圾回收器
   • 适用场景：
     • 同时注重吞吐量和低延迟，默认的暂停目标是200ms
     • 适合超大堆内存，会将堆划分为多个大小相等的Region，每个区域都有可能成为伊甸园（Eden）、From区域、To区域和老年代
     • 整体上是标记+整理算法，两个区域之间是复制算法
   • 相关VM参数：
     • -XX:+UseG1GC启用G1回收器
     • -XX:G1HeapRegionSize=size设置划分堆内存的Region大小
     • -XX:MaxGCPauseMillis=time设置最大的垃圾回收时间，默认200ms
     • -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=percent设置老年代占用堆空间比例的阈值，当达到这一阈值时触发并发标记（不STW），默认45%

3.5 垃圾回收调优

• 预备知识
  • 掌握GC相关VM参数，会基本的空间调整
  • 掌握相关工具
  • 调优跟应用、环境有关，没有放之四海而皆准的法则

1. 调优领域

   1. 内存
   2. 锁竞争
   3. cpu占用
   4. io

2. 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

   注意：不同的垃圾回收器有不同的应用场景，低延迟适用于互联网项目（类似分时系统），高吞吐量适用于科学计算（类似批处理系统）

3. 最快的GC是不发生GC
   查看FullGC前后的内存占用，要考虑的问题主要有：

   1. 数据是不是太多？
      • resultSet = statement.executeQuery("select * from 大表"); 这种情况就需要考虑加limit或者使用分页查询，否则当多个线程同时访问大批量数据时就会造成OOM异常
   2. 数据表示是不是太臃肿？
      • 拒绝对象图，用到哪个查哪个
      • 要了解对象大小对内存的影响：
        • 最简单的Object对象都要占16字节的内存
        • 包装类型Integer占24字节内存，而int类型只占4字节，所以能用基本类型就尽可能少用包装类型
   3. 是否存在内存泄漏？
      • 反面教材：不断向静态的Map对象中添加对象
      • 解决方法：使用软引用或弱引用，或使用第三方缓存（如redis）

4. 新生代调优

   • 所有的new操作的内存分配都非常廉价
     • TLAB（thread-local allocation buffer）线程局部分配缓冲区
   • 死亡对象的回收代价是0
   • 大部分对象用过即死
   • Minor GC的时间远小于Full GC
   • 调优策略：
     1. 新生代并非越大越好，Oracle官方建议新生代大小应该占整个堆空间的25% ~ 50%。太小则频繁触发Minor GC，太大又会导致频繁触发Full GC
     2. 新生代能容纳所有【并发量 * (请求与响应)】的数据
     3. 幸存区大到能保留【当前活跃的对象 + 需要晋升对象】
     4. 晋升阈值配置得当，让长时间存活对象尽快晋升，而不应该长期保留在幸存区
        两个常用VM指令：
        • -XX:MaxTenuringThreshold=threshold 调整最大晋升阈值，推荐适当调小
        • -XX:+PrintTenuringDistribution 打印晋升对象的详细信息

5. 老年代调优
   以CMS为例：

   • CMS的老年代内存越大越好
   • 先尝试不调优，如果没有Full GC那么已经很OK了，应该先调优新生代
   • 观察发生Full GC时老年代内存的占用，将老年代内存预设调大1/4 ~ 1/3
     • -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=percent指定为浮动垃圾预留的空间占比，超过这个比值将触发该垃圾回收器。一般设为70%~80%最佳

资料来源：b站视频《java中级程序员必会的教程，解密JVM【黑马程序员】》