JVM原理2

1. 回收废弃常量

• 回收废弃常量与回收Java堆中的对象非常类似。以常量池中字面量的回收为例，假如一个字符串“abc”已经进入了常量池中，但是当前系统没有任何一个String对象是叫做“abc”的，换句话说，就是没有任何String对象引用常量池中的“abc”常量，也没有其他地方引用了这个字面量，如果这时发生内存回收，而且必要的话，这个“abc”常量就会被系统清理出常量池。常量池中的其他类（接口）、方法、字段的符号引用也与此类似。

2. 可以回收无用的类

• 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。

3. 标记-清除算法（Mark-Sweep）

• 算法分为“标记”和“清除”两个阶段
• 首先标记出所有需要回收的对象，在标记完成后统一回收所有被标记的对象。
• 不足有两个：一个是效率问题，标记和清除两个过程的效率都不高；
• 另一个是空间问题，标记清除之后会产生大量不连续的内存碎片，空间碎片太多可能会导致以后在程序运行过程中需要分配较大对象时，无法找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。

     

4. 复制算法

• 将可用内存按容量划分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块。
• 当这一块的内存用完了，就将还存活着的对象复制到另外一块上面，然后再把已使用过的内存空间一次清理掉。
• 这样使得每次都是对整个半区进行内存回收，内存分配时也就不用考虑内存碎片等复杂情况，只要移动堆顶指针，按顺序分配内存即可，实现简单，运行高效。
• 只是这种算法的代价是将内存缩小为了原来的一半，未免太高了一点。

     

5. 标记-整理算法（Mark-Compact）

• 复制收集算法在对象存活率较高时就要进行较多的复制操作，效率将会变低。更关键的
  是，如果不想浪费50%的空间，就需要有额外的空间进行分配担保，以应对被使用的内存中
  所有对象都100%存活的极端情况，所以在老年代一般不能直接选用这种算法。
• 根据老年代的特点，提出了另外一种“标记-整理”（Mark-Compact）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。

     

6. 垃圾收集器

     

7. Serial收集器

• 单线程的收集器，但它的“单线程”的意义并不仅仅说明它只会使用一个CPU或一条收集线程去完成垃圾收集工作，更重要的是在它进行垃圾收集时，必须暂停其他所有的工作线程，直到它收集结束。
• “StopThe World”，这项工作实际上是由虚拟机在后台自动发起和自动完成的，在用户不可见的情况下把用户正常工作的线程全部停掉，这对很多应用来说都是难以接受的。

• 虚拟机运行在Client模式下的默认新生代收集器。
• 它也有着优于其他收集器的地方：简单而高效（与其他收集器的单线程比），对于限定单个CPU的环境来说，Serial收集器由于没有线程交互的开销，专心做垃圾收集自然可以获得最高的单线程收集效率。在用户的桌面应用场景中，分配给虚拟机管理的内存一般来说不会很大，收集几十兆甚至一两百兆的新生代（仅仅是新生代使用的内存，桌面应用基本上不会再大了），停顿时间完全可以控制在几十毫秒最多一百多毫秒以内，只要不是频繁发生，这点停顿是可以接受的。所以，Serial收集器对于运行在Client模式下的虚拟机来说是一个很好的选择。

8. ParNew收集器

• 是Serial收集器的多线程版本，除了使用多条线程进行垃圾收集之外，其余行为包括Serial收集器可用的所有控制参数、收集算法、Stop The World、对象分配规则、回收策略等都与Serial收集器完全一样，在实现上，这两种收集器也共用了相当多的代码。

• 运行在Server模式下的虚拟机中首选的新生代收集器。
• 其中有一个与性能无关但很重要的原因是，除了Serial收集器外，目前只有它能与CMS收集器配合工作。

9. Parallel Scavenge收集器

• Parallel Scavenge收集器是一个新生代收集器，它也是使用复制算法的收集器，又是并行
  的多线程收集器。
• Parallel Scavenge收集器的目标则是达到一个可控制的吞吐量（Throughput）。
• 所谓吞吐量就是CPU用于运行用户代码的时间与CPU总消耗时间的比值，即吞吐量=运行用户代码时间/（运行用户代码时间+垃圾收集时间），虚拟机总共运行了100分钟，其中垃圾收集花掉1分钟，那吞吐量就是99%。
• 停顿时间越短就越适合需要与用户交互的程序，良好的响应速度能提升用户体验，而高
  吞吐量则可以高效率地利用CPU时间，尽快完成程序的运算任务，主要适合在后台运算而不
  需要太多交互的任务。

10. Serial Old收集器

• Serial Old是Serial收集器的老年代版本。
• 同样是一个单线程收集器，使用“标记-整理”算法。
• 这个收集器的主要意义也是在于给Client模式下的虚拟机使用。
• 如果在Server模式下，那么它主要还有两大用途：一种用途是在JDK 1.5以及之前的版本中与Parallel Scavenge收集器搭配使用，另一种用途就是作为CMS收集器的后备预案，在并发收集发生ConcurrentMode Failure时使用。

11. Parallel Old收集器

• Parallel Old是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资源敏感的场合，都可以优先考虑Parallel Scavenge加Parallel Old收集器。

12. CMS收集器（Concurrent Mark Sweep）

• 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。
• 目前很大一部分的Java应用集中在互联网站或者B/S系统的服务端上，这类应用尤其重视服务的响应速度，希望系统停顿时间最短，以给用户带来较好的体验。CMS收集器就非常符合这类应用的需求。
• CMS收集器是基于“标记—清除”算法实现的。
• 整个过程分为4个步骤，包括：
  初始标记（CMS initial mark）
  并发标记（CMS concurrent mark）
  重新标记（CMS remark）
  并发清除（CMS concurrent sweep）
• 初始标记、重新标记这两个步骤仍然需要“Stop The World”。初始标记仅仅只是标记一下GC Roots能直接关联到的对象，速度很快，并发标记阶段就是进行GC RootsTracing的过程，而重新标记阶段则是为了修正并发标记期间因用户程序继续运作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稍长一些，但远比并发标记的时间短。
• 由于整个过程中耗时最长的并发标记和并发清除过程收集器线程都可以与用户线程一起工作，所以，从总体上来说，CMS收集器的内存回收过程是与用户线程一起并发执行的。

• 缺点：
  1. CMS收集器对CPU资源非常敏感。
  2. CMS收集器无法处理浮动垃圾（Floating Garbage），可能出现“Concurrent Mode           Failure”失败而导致另一次Full GC的产生。
  3. 收集结束时会有大量空间碎片产生。

13. G1收集器

• G1是一款面向服务端应用的垃圾收集器。
• 特点：

  1. 并行与并发：G1能充分利用多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停顿的时间，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。

  2. 分代收集：与其他收集器一样，分代概念在G1中依然得以保留。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，但它能够采用不同的方式去处理新创建的对象和已经存活了一段时间、熬过多次GC的旧对象以获取更好的收集效果。

  3. 空间整合：与CMS的“标记—清理”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（两个Region之间）上来看是基于“复制”算法实现的，但无论如何，这两种算法都意味着G1运作期间不会产生内存空间碎片，收集后能提供规整的可用内存。这种特性有利于程序长时间运行，分配大对象时不会因为无法找到连续内存空间而提前触发下一次GC。

  4. 可预测的停顿：这是G1相对于CMS的另一大优势，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，这几乎已经是实

  时Java（RTSJ）的垃圾收集器的特征了。
• 在G1之前的其他收集器进行收集的范围都是整个新生代或者老年代，而G1不再是这样。使用G1收集器时，Java堆的内存布局就与其他收集器有很大差别，它将整个Java堆划分为多个大小相等的独立区域（Region），虽然还保留有新生代和老年代的概念，但新生代和老年代不再是物理隔离的了，它们都是一部分Region（不需要连续）的集合。
• G1收集器之所以能建立可预测的停顿时间模型，是因为它可以有计划地避免在整个Java堆中进行全区域的垃圾收集。G1跟踪各个Region里面的垃圾堆积的价值大小（回收所获得的空间大小以及回收所需时间的经验值），在后台维护一个优先列表，每次根据允许的收集时间，优先回收价值最大的Region（这也就是Garbage-First名称的来由）。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收集器在有限的时间内可以获取尽可能高的收集效率。
• 把Java堆分为多个Region后，垃圾收集是否就真的能以Region为单位进行了？Region不可能是孤立的。一个对象分配在某个Region中，它并非只能被本Region中的其他对象引用，而是可以与整个Java堆任意的对象发生引用关系。那在做可达性判定确定对象是否存活的时候，岂不是还得扫描整个Java堆才能保证准确性？
• 在G1收集器中，Region之间的对象引用以及其他收集器中的新生代与老年代之间的对象引用，虚拟机都是使用Remembered Set来避免全堆扫描的。G1中每个Region都有一个与之对
  应的Remembered Set，虚拟机发现程序在对Reference类型的数据进行写操作时，会产生一个Write Barrier暂时中断写操作，检查Reference引用的对象是否处于不同的Region之中（在分代的例子中就是检查是否老年代中的对象引用了新生代中的对象），如果是，便通过
  CardTable把相关引用信息记录到被引用对象所属的Region的Remembered Set之中。当进行内存回收时，在GC根节点的枚举范围中加入Remembered Set即可保证不对全堆扫描也不会有遗漏。
• G1收集器的步骤：
  初始标记（Initial Marking）
  并发标记（Concurrent Marking）
  最终标记（Final Marking）
  筛选回收（Live Data Counting and Evacuation）
• 初始标记阶段仅仅只是标记一下GC Roots能直接关联到的对象，并且修改TAMS（Next Top at Mark Start）的值，让下一阶段用户程序并发运行时，能在正确可用的Region中创建新对象，这阶段需要停顿线程，但耗时很短。并发标记阶段是从GC Root开始对堆中对象进行可达性分析，找出存活的对象，这阶段耗时较长，但可与用户程序并发执行。而最终标记阶段则是为了修正在并发标记期间因用户程序继续运作而导致标记产生变动的那一部分标记记录，虚拟机将这段时间对象变化记录在线程Remembered Set Logs里面，最终标记阶段需要把Remembered Set Logs的数据合并到Remembered Set中，这阶段需要停顿线程，但是可并行执行。最后在筛选回收阶段首先对各个Region的回收价值和成本进行排序，根据用户所期望的GC停顿时间来制定回收计划，这个阶段其实也可以做到与用户程序一起并发执行，但是因为只回收一部分Region，时间是用户可控制的，而且停顿用户线程将大幅提高收集效率。