垃圾回收基础知识

一、简介

在C/C++中，都可以直接操作指针，分配内存都需要显式释放。

C++有构造函数和析构函数，创建对象用new，销毁对象用delete。C分配内存用malloc和free。

而java中，只需要显式的new出对象，具体什么时候销毁，就由JVM决定了，不需要人工干预。但是我么还是最好明白JVM垃圾回收的原理，出现问题也容易排查。

 

二、虚拟机基本结构

以Sun Hotspot Jvm 1.7 为例，虚拟机结构如下图：

                    
   hotspot JVM使用了分代的结构。对象分配时，会首先进入新生代，之后一部分留在新生代，一部分晋级老年代。

   Jdk1.8，取消了永久代。

    

三、垃圾回收算法

垃圾回收，都是从根对象开始，遍历所有可以到达的对象，未到达的就是垃圾对象。回收算法共有种。如下：

1、引用计数法

引用计数法的原理，是只要有一个对象引用了Ａ对象，则A的计数器加1。引用失效，计数器减1.

HotSpot没有采用该种办法，有两个原因：

①无法处理相互引用的情况。当两个对象都无用，但是相互引用，该算法认为对象还有用

②随着引用的添加与失效，伴随着加减的操作，浪费性能

 

2、标记清除法

首先通过根节点，遍历出所有可到达的对象并标记。之后清除所有未标记的对象。

该算法最大问题，是造成内存碎片

 

3、复制算法

将内存分成两块，每次只使用一块。垃圾回收时，将有效的对象，复制到另一块区域，然后直接清空之前那一块区域。

缺点：内存折半，真正使用的内存区域，只有一半。

单纯的复制算法无法让人接受，但是可以部分的采用。比如上图的HotSpot，新生代中的from和to区域，就是采用的复制算法，后文会说明

 

4、标记压缩法

在标记完对象后，将有效对象都压缩到内存的一侧。相当于标记清楚 + 内存整理

 

其他综合算法

分代算法

将内存分成多个代，比如上图的新生代，老年代，每次根据内存的特点，使用不同的回收算法。

新生代： 复制算法

老年代：标记清理，或标记压缩法

 

分区算法

将内存分成多个区域，每次回收一部分区域，能有效的控制GC停顿的时间

 

三、垃圾回收器

1、新生代串行回收器

缺点：

     ① 仅使用单线程回收

     ② 独占式回收。也就是说，回收时所有线程都需要暂停，也就是 stop the world.

优点：使用的是复制算法，对单CPU处理器等，性能表现超过并行和并发回收器。Client模式，是默认的回收器

 

2、老年代串行回收器

使用标记压缩算法

缺点：

①串行

②老年代比新生代一般需要更久，停顿时间也会更久，一般是和多种新生代回收器配合使用，也可以作为CMS的备用回收器

 

3、新生代ParNew回收器

简单的将串行回收器多线程化，其他一模一样

缺点：

    并发能力强的CPU上，停顿时间短于串行回收器，在单CPU或并发能力弱的系统中，因为多线程的压力，效果要差于串行回收器

 

4、新生代ParellelGC回收器

使用复制算法，也是一个多线程，独占式的回收器，关注系统吞吐量

 

5、老年代ParellelOldGC回收器

需要和ParellelGC配合才能使用，使用标记压缩法

 

6、并发标记清除CMS回收器

全称为Concurrent Mark Sweep。关注系统停顿时间。

所谓并发，是回收器和应用程序交替执行，也就是多线程编程中常说的并发。而并行，多个线程一起GC，但应用程序是停止的

CMS比较复杂点，分为初始标记，并发标记，预清理，重新标记，并发清除和并发重

缺点：内存碎片

-XX:+UseCMSCpmpactAtFullCollect，可以使CMS回收完成后，进行一次内存整理，但内存整理不是并发的

-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction ，设定多少次CMS回收后，进行一次内存压缩

 

7、G1回收器

Jdk1.7中应用的最新的垃圾回收，期望解决CMS中内存碎片的问题，使用分区算法

特点：

    ① 并行

    ② 并发，不会 在整个回收期间完全阻塞应用程序

    ③ 分代GC：同时兼顾新生代和老年代

    ④ 空间整理：回收中会进行适当的对象移动，减少空间碎片

    ⑤ 每次只选择部分区域进行回收

 

四、hotspot的回收策略

      新生代的from，to都叫survivor区，默认Eden，和from，to的比例是8：1：1

                          

    1、new的对象，基本都是分配在Eden区的，少数情况例外，比如分配在TLAB中

    2、GC触发后，eden区的有效对象会被复制到from或to中，假设是from。大对象可能直接进入了老年代，如果from已满，也会直接进入老年代

    3、此时eden区和to区的对象，都是垃圾对象，可以直接清空。

    4、下一次GC时，from是有对象的，eden区和from区域的有效对象，会进入to区或老年代，规则和第2条相同。也就是说，from和to是使用复制算法的一个典型应用，保证其中一个为空，gc时将对象都复制到该区域，之后直接清空另一块区域。

     5、eden区的对象都有年龄。每熬过经历一次gc，年龄加1. 熬过一定次数的gc，就可以进入老年代，也叫晋级（这个次数默认是15次）。

 

      虚拟机提供了一个参数 MaxTenuringThreshold,来控制晋级的年龄。但是这个参数只是充分非必要条件。也就是说，达到这个年龄，会一定晋升。不到这个年龄，也可能晋升，比如survivor区域满了。这个是JVM根据运行时的survivor区的使用情况动态算出来的。

计算晋升年龄的基本逻辑代码如下：

//TargetSurvivorRatio是from或to的使用率
size_t desired_survivor_size = (size_t) ((((double) survivor_capacity) * TargetSurvivorRatio) / 100);
size_t total = 0;
int age = 1;

//sizes数组保存了每个年龄的对象之和，比如sizes[1]是所有年龄为1的对象大小之和
assert(sizes[0] == 0, "no objects with age zero should be recorded");
while(age < table_size) {
  total += sizes[age];
  if (total > desired_survivor_size) break;
  age++;
}
int result = age  < MaxTenuringThreshold ? age : MaxTenuringThreshold;

 

 

五、TLAB简介

全称叫Thread Local Allocation Buffer，即线程本地分配缓存。

是因为对象一般分配在堆上，堆是全局共享的。所以在同一时间，可能有很多线程在堆上申请空间。每次分配都必须同步，竞争激烈的情况下，分配对象的效率会进一步下降。

所以为了提高分配的效率，使用TLAB这种线程专属的区域避免多线程冲突。而TLAB本身是在Eden上。