深入理解Java虚拟机:垃圾收集器与内存分配策略

判断一个对象是否应该被回收

引用计数法

1.给对象添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器值就加1；当引用失效时，计数器值减1；任何时刻计数器为0的对象就是不可能再被使用的。这个方式，不能解决循环引用的问题。

可达性分析算法

通过一系列称为"GC Roots"的对象作为起始点，从这些节点开始向下搜索，搜索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时，则证明此对象是不可用的。
在Java语言中,可作为GC Roots的对象包括下面几种:
1、虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象。
2、方法区中类静态属性引用的对象
3、方法区中中常量引用的对象。
4、本地方法栈中JNI引用的对象。

再谈引用

在JDK1.2之后，Java对引用的概念进行了扩充，将引用分为强引用，软引用、软引用、虚引用4种。
强引用:只要强引用还存在，垃圾收集器永远不会回收掉被引用的对象。
软引用:描述一些还有用但并非必需的对象。对于软引用关联着的对象，在系统将要发生内存溢出异常之前，将会把这些对象列进回收范围之中进行第二次回收。若回收后还没有足够的内存，才会抛出内存溢出异常。
弱引用:强度比软引用更弱一些，被弱引用关联的对象只能生存到下一次垃圾收集发生之前。无论当前内存是否足够，都会被回收掉。
虚引用也称为幽灵引用或者幻影引用，它是最弱的一种引用关系。一个对象是否有虚引用的存在，完全不对其生存时间构成影响，也无法通过虚引用来取得一个对象实例。它只是为了在收集器回收时收到一个系统通知。

生存还是死亡

即使是不可达对象，也并非是“非死不可”的。对象不可达，那么它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"，如果是有必要执行的，则将它放入F-Queue中，并创建一个低优先级的Finalizer线程执行它的finalize()方法。finalize()方法是对象逃脱死亡命运的最后一次机会，它可以在此时将自身的引用传递出去以自救。

回收方法区

永久代的垃圾收集主要回收两部分内容:废弃常量和无用的类。
无用类判读方法:
同时满足以下三个条件
1、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。
2、加载该类的ClassLoader已经被回收。
3、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。

垃圾收集算法

标记-清除算法:
标记和清除两个过程的效率都不高:另一个是空间问题，标记清除后悔产生带量不连续的内存碎片，空间碎片太多可能会导致以后程序运行过程中需要分配较大对象时，无法找不到足够的连续内存而不得不提前触发另一次垃圾收集动作。

复制算法
将内存分为一块较大的Eden空间和两块较小的Survivor空间(新生代)，每次使用Eden和其中一块Sruvivor。当回收时，将Eden和survivor中还存活着的对象一次性复制到另一块Survivor空间上，最后清理掉Eden和刚才用过的Survivor空间。HotSpot默认Eden和Survivor的大小比例是8:1，也就是每次新生代可用内存空间占整个新生代容量的百分之90。如果另外一块Survivor空间没有足够空间存放上一次新生代收集下来的存活对象时，这些对象将直接通过分配担保机制进入老年代。

标记-整理算法
适用于老年代，标记过程和"标记-清理"算法一样，但后续步骤不是直接对可回收对象进行清理，而是让所有存活的对象都向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存。

HotSpot的算法实现

枚举根节点
HotSpot不需要从GC Roots所在区域逐个遍历，在Hot Spot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。

安全点:
HotSpot没有为每条指令都生成OopMap，只是在“特定位置”记录了这些信息，这些位置称为安全点，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可以。当GC，所有线程都要暂停。GC需要中断线程时，不直接对线程进行操作，仅仅简单地设置一个标志，各个线程执行时主动轮询这个标志，发现中断标志为真时就自己中断挂起。

安全区域
程序不执行的时候，如Sleep或者Blocked状态，这时候线程无法响应JVM的中断请求，“走”到安全地方去中断挂起，这种情况就需要安全区域来解决。安全区域是指一段代码片段之中，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。我们也可以把Safe Region看作是被扩展了的SafePoint。

垃圾收集器

Serial收集器
单一线程收集、STOP THE WORLD

ParNew收集器
其实就是Serial的多线程版本，除了Serial收集器，只有它能够与老年代收集器CMS一同工作。在单线程环境下，ParNew效率绝对比Serial要差。

ParallelScavenge收集器
新生代收集器，又吞吐量优先收集器，吞吐量=程序运行时间/(程序运行时间+GC时间)。

SerialOld收集器
Serial收集器的老年代版本

Parallel Old收集器
Parallel Scavenge收集器的老年代版本

CMS收集器
是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器。运作过程:
1、初始标记:标记GC Roots能直接关联到的对象，STOP THE WORLD
2、并发标记:GC ROOT Tracing的过程，可与用户线程一同进行
3、重新标记:修正并发标记期间因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。STOP THE WORLD
4、并发清除:清除，可并发进行。
缺点:
1、和用户程序并发，占用CPU，系统吞吐量下降，响应变慢。
2、CMS无法处理发动垃圾,因为并发，所以用户程序还在产生新的垃圾，此垃圾称为浮动垃圾。
3、标记-清除算法带来的内存碎片。

G1收集器
特点:
1、并行与并发:充分利用多核、多CPU
2、分代收集:不同代，可以有不同收集器
3、空间整合:分代-整理算法，不会产生内存碎片
4、可预测的停顿: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超过N毫秒。

理解GC日志

2019-03-20T07:28:59.085+0800: [GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 7621K->1000K(9216K)] 7621K->5297K(29696K), 0.0124983 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.01 secs] 
2019-03-20T07:28:59.101+0800: [GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 9192K->1000K(9216K)] 13489K->12072K(29696K), 0.0165363 secs] [Times: user=0.06 sys=0.00, real=0.02 secs] 
2019-03-20T07:28:59.124+0800: [Full GC (Ergonomics) [PSYoungGen: 9192K->0K(9216K)] [ParOldGen: 15820K->18739K(20480K)] 25012K->18739K(29696K), [Metaspace: 2667K->2667K(1056768K)], 0.3411598 secs] [Times: user=0.50 sys=0.01, real=0.34 secs] 
2019-03-20T07:28:59.467+0800: [Full GC (Ergonomics) [PSYoungGen: 5682K->4004K(9216K)] [ParOldGen: 18739K->20274K(20480K)] 24421K->24279K(29696K), [Metaspace: 2667K->2667K(1056768K)], 0.2505986 secs] [Times: user=0.75 sys=0.02, real=0.25 secs] 
2019-03-20T07:28:59.717+0800: [Full GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 4004K->4004K(9216K)] [ParOldGen: 20274K->20263K(20480K)] 24279K->24267K(29696K), [Metaspace: 2667K->2667K(1056768K)], 0.1725490 secs] [Times: user=0.49 sys=0.00, real=0.17 secs] 
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
	at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3210)
	at java.util.Arrays.copyOf(Arrays.java:3181)
	at java.util.ArrayList.grow(ArrayList.java:261)
	at java.util.ArrayList.ensureExplicitCapacity(ArrayList.java:235)
	at java.util.ArrayList.ensureCapacityInternal(ArrayList.java:227)
	at java.util.ArrayList.add(ArrayList.java:458)
	at com.jazon.jvm.HeadOutOfMemoryExample.main(HeadOutOfMemoryExample.java:9)
Heap
 PSYoungGen      total 9216K, used 4329K [0x00000000ff600000, 0x0000000100000000, 0x0000000100000000)
  eden space 8192K, 52% used [0x00000000ff600000,0x00000000ffa3a708,0x00000000ffe00000)
  from space 1024K, 0% used [0x00000000fff00000,0x00000000fff00000,0x0000000100000000)
  to   space 1024K, 0% used [0x00000000ffe00000,0x00000000ffe00000,0x00000000fff00000)
 ParOldGen       total 20480K, used 20263K [0x00000000fe200000, 0x00000000ff600000, 0x00000000ff600000)
  object space 20480K, 98% used [0x00000000fe200000,0x00000000ff5c9c28,0x00000000ff600000)
 Metaspace       used 2699K, capacity 4486K, committed 4864K, reserved 1056768K
  class space    used 291K, capacity 386K, committed 512K, reserved 1048576K
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM warning: ignoring option PermSize=200M; support was removed in 8.0
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM warning: ignoring option MaxPermSize=200M; support was removed in 8.0

2019-03-20T07:28:59.085+0800 //垃圾回收时的时间

GC　//垃圾回收的类型，GC是只回收新生代；Full GC会回收新生代、年老代、永久代，会停止所有用户线程。

PSYoungGen //年轻代的垃圾回收使用的是Parallel Scanvenge垃圾收集器，简称PS，年轻代就是PSYoungGen。

9193K->1024K(9216K)//年轻代划分成Eden区、From Survivor区和To Survivor区，整个年轻代可以用来使用的就是Eden区加上其中一个Survivor区，也就是8M+1M=9M=9216K，9193K是指Eden区+其中一个Survivor区在垃圾回收之前占用的内存，1024K是指Eden区+其中一个Survivor区在垃圾回收之后还在占用的内存

13393K->10990K(29696K) //29696K指堆的可用大小，包含Eden区+其中一个Survivor区+年老代，8M+1M+20M=29M=29696K，13393K指执行垃圾回收前这三个区域所占的内存，10990K指执行垃圾回收之后这三个区域所占的内存。

Times:user=0.05 sys=0.00, real=0.02 secs //user=0.05是指CPU运行的总时长，如果有多核，则累加；sys=0.00，是指内核态消耗的CPU事时间；real=0.02是指操作从开始到结束所经过的墙钟时间，墙钟时间包括各种非运算的等待耗时，例如等待磁盘I／O，等待线程阻塞，而CPU时间不包括这些耗时。

2019-03-20T07:28:59.467+0800:[Full GC [PSYoungGen: 9216K->0K(9216K)] [ParOldGen:14714K->18607K(20480K)] 23930K->18607K(29696K) [PSPermGen:2570K->2569K(204800K)], 0.2016436 secs] [Times: user=0.22 sys=0.00,real=0.20 secs]

Full GC　//垃圾回收的类型，GC是只回收新生代；Full GC会回收新生代、年老代、永久代，会停止所有用户线程。

ParOldGen //年老代的垃圾回收采用的是ParNew收集器

14714K->18607K(20480K) //20480K指年老代最大可以分配的内存20M=20480K；14714K指执行垃圾回收前永久代占用的内存；18607K指年老代执行垃圾回收后所占的内存，由于年轻代经过垃圾回收后年轻代或Survivor中的部分对象被移动到年老代，所以导致年老代执行垃圾回收后占用的内存超过垃圾回收之前所占的内存。

PSPermGen //永久代的垃圾回收采用的是Parallel Scanvenge垃圾收集器

2570K->2569K(204800K) //永久代最大可以分配的内存200M=204800K,2570K指永久代执行垃圾回收前所占内存，2569指永久代执行垃圾回收之后所占内存

内存分配与回收策略
1、对象优先在Eden分配
2、大对象直接进入老年代，-XX:PretenureSizeThreshold设置大对象的衡量值
3、长期存活的对象进入老年代，-XX:MaxTenuringThreshold设置应该放入老年代的年龄值
4、动态对象年龄判定:如果在Survivor空间中相同年龄所有对象大小总和大于Survivor空间的一半，年龄大于或等于该年龄的对象就可以直接进入老年代。
5、空间分配担保:新生代的复制收集算法，不够用时，需要借助老年代。此时有个分配担保。可能会引起Full GC。