jvm的GC分代收集算法及jvm配置说明

官方文献
https://docs.oracle.com/javase/8/
https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/guides/vm/gctuning/
https://docs.oracle.com/javase/specs/index.html

 

 

摘要

当前商业虚拟机的垃圾收集都采用“分代收集”（Generational Collection）算法，这种算法并没有什么新的思想，只是根据对象的存活周期的不同将内存划分为几块。一般是把Java堆分为新生代和老年代，这样就可以根据各个年代的特点采用最适当的收集算法。在新生代中，每次垃圾收集时都发现有大批对象死去，只有少量存活，那就选用复制算法，只需要付出少量存活对象的复制成本就可以完成收集。而老年代中因为对象存活率高、没有额外空间对它进行分配担保，就必须使用“标记-清理”或“标记-整理”算法来进行回收。方法区永久代，回收方法同老年代。

对象分类

分代搜集算法是针对对象的不同特性，而使用适合的算法，这里面并没有实际上的新算法产生。与其说分代搜集算法是第四个算法，不如说它是对前三个算法的实际应用。 
首先我们来探讨一下对象的不同特性，接下来和各位来一起给这些对象选择GC算法。 
内存中的对象按照生命周期的长短大致可以分为三种，以下命名均为个人的命名。 
1、夭折对象(新生代)：朝生夕灭的对象，通俗点讲就是活不了多久就得死的对象。 
例子：某一个方法的局域变量、循环内的临时变量等等。 
2、老不死对象（老年代）：这类对象一般活的比较久，岁数很大还不死，但归根结底，老不死对象也几乎早晚要死的，但也只是几乎而已。 
例子：缓存对象、数据库连接对象、单例对象（单例模式）等等。 
3、不灭对象（永久代）：此类对象一般一旦出生就几乎不死了，它们几乎会一直永生不灭，记得，只是几乎不灭而已。 
例子：String池中的对象（享元模式）、加载过的类信息等等。

对象对应的内存区域

还记得前面介绍内存管理时，JVM对内存的划分吗？ 
我们将上面三种对象对应到内存区域当中，就是夭折对象和老不死对象都在JAVA堆，而不灭对象在方法区。 
之前的一章中我们就已经说过，对于JAVA堆，JVM规范要求必须实现GC，因而对于夭折对象和老不死对象来说，死几乎是必然的结局，但也只是几乎，还是难免会有一些对象会一直存活到应用结束。然而JVM规范对方法区的GC并不做要求，所以假设一个JVM实现没有对方法区实现GC，那么不灭对象就是真的不灭对象了。 
由于不灭对象的生命周期过长，因此分代搜集算法就是针对的JAVA堆而设计的，也就是针对夭折对象和老不死对象。

JAVA堆的对象回收（夭折对象和老不死对象）

有了以上分析，我们来看看分代搜集算法如何处理JAVA堆的内存回收的，也就是夭折对象与老不死对象的回收。 
夭折对象：这类对象朝生夕灭，存活时间短，还记得复制算法的使用要求吗？那就是对象存活率不能太高，因此夭折对象是最适合使用复制算法的。 
小疑问：50%内存的浪费怎么办？ 
答疑：因为夭折对象一般存活率较低，因此可以不使用50%的内存作为空闲，一般的，复制算法：使用两块10%的内存作为空闲和活动区间，而另外80%的内存，则是用来给新建对象分配内存的。一旦发生GC，将10%的活动区间与另外80%中存活的对象转移到10%的空闲区间，接下来，将之前90%的内存全部释放，以此类推。 
GC流程： 

 

 

 

图中标注了三个区域中在各个阶段，各自内存的情况。相信看着图，它的GC流程已经不难理解了。 
第一点是使用这样的方式，我们只浪费了10%的内存，这个是可以接受的，因为我们换来了内存的整齐排列与GC速度。第二点是，这个策略的前提是，每次存活的对象占用的内存不能超过这10%的大小，一旦超过，多出的对象将无法复制。 
为了解决上面的意外情况，也就是存活对象占用的内存太大时的情况，高手们将JAVA堆分成两部分来处理，上述三个区域则是第一部分，称为新生代或者年轻代。而余下的一部分，专门存放老不死对象的则称为年老代。 
是不是很贴切的名字呢？下面我们看看老不死对象的处理方式。 
老不死对象：这一类对象存活率非常高，因为它们大多是从新生代转过来的。就像人一样，活的年月久了，就变成老不死了。 
通常情况下，以下两种情况发生的时候，对象会从新生代区域转到年老带区域。 
1. 在新生代里的每一个对象，都会有一个年龄，当这些对象的年龄到达一定程度时（年龄就是熬过的GC次数，每次GC如果对象存活下来，则年龄加1），则会被转到年老代，而这个转入年老代的年龄值，一般在JVM中是可以设置的。 
2. 在新生代存活对象占用的内存超过10%时，则多余的对象会放入年老代。这种时候，年老代就是新生代的“备用仓库”。 
针对老不死对象的特性，显然不再适合使用复制算法，因为它的存活率太高，而且不要忘了，如果年老代再使用复制算法，它可是没有备用仓库的。因此一般针对老不死对象只能采用标记/整理或者标记/清除算法。 
以上两种情况已经解决了GC的大部分问题，因为JAVA堆是GC的主要关注对象，而以上也已经包含了分代搜集算法的全部内容，接下来对于不灭对象的回收，已经不属于分代搜集算法的内容。

方法区的对象回收（不灭对象）

不灭对象存在于方法区，在我们常用的hotspot虚拟机（JDK默认的JVM）中，方法区也被亲切的称为永久代，又是一个很贴切的名字不是吗？ 
其实在很久很久以前，是不存在永久代的。当时永久代与年老代都存放在一起，里面包含了JAVA类的实例信息以及类信息。但是后来发现，对于类信息的卸载几乎很少发生，因此便将二者分离开来。幸运的是，这样做确实提高了不少性能。于是永久代便被拆分出来了。 
这一部分区域的GC与年老代采用相似的方法，由于都没有“备用仓库”，二者都是只能使用标记/清除和标记/整理算法。

回收的时机

JVM在进行GC时，并非每次都对上面三个内存区域一起回收的，大部分时候回收的都是指新生代。因此GC按照回收的区域又分了两种类型，一种是普通GC（minor GC），一种是全局GC（major GC or Full GC），它们所针对的区域如下。 
普通GC（minor GC）：只针对新生代区域的GC。 
全局GC（major GC or Full GC）：针对所有分代区域（新生代、年老代）的GC。 
由于年老代与永久代相对来说GC效果不好，而且二者的内存使用增长速度也慢，因此一般情况下，需要经过好几次普通GC，才会触发一次全局GC。

Java内存分配机制

这里所说的内存分配，主要指的是在堆上的分配，一般的，对象的内存分配都是在堆上进行，但现代技术也支持将对象拆成标量类型（标量类型即原子类型，表示单个值，可以是基本类型或String等），然后在栈上分配，在栈上分配的很少见，我们这里不考虑。 
　Java内存分配和回收的机制概括的说，就是：分代分配，分代回收。对象将根据存活的时间被分为：年轻代（Young Generation）、年老代（Old Generation）、永久代（Permanent Generation，也就是方法区）。如下图 
　　 
　　　　 
　　年轻代（Young Generation）：对象被创建时，内存的分配首先发生在年轻代（大对象可以直接 被创建在年老代），大部分的对象在创建后很快就不再使用，因此很快变得不可达，于是被年轻代的GC机制清理掉（IBM的研究表明，98%的对象都是很快消 亡的），这个GC机制被称为Minor GC或叫Young GC。注意，Minor GC并不代表年轻代内存不足，它事实上只表示在Eden区上的GC。

　　年轻代上的内存分配是这样的，年轻代可以分为3个区域：Eden区（伊甸园，亚当和夏娃偷吃禁果生娃娃的地方，用来表示内存首次分配的区域，再贴切不过）和两个存活区（Survivor 0 、Survivor 1）。内存分配过程为 
　　

绝大多数刚创建的对象会被分配在Eden区，其中的大多数对象很快就会消亡。Eden区是连续的内存空间，因此在其上分配内存极快； 
当Eden区满的时候，执行Minor GC，将消亡的对象清理掉，并将剩余的对象复制到一个存活区Survivor0（此时，Survivor1是空白的，两个Survivor总有一个是空白的）； 
此后，每次Eden区满了，就执行一次Minor GC，并将剩余的对象都添加到Survivor0； 
当Survivor0也满的时候，将其中仍然活着的对象直接复制到Survivor1，以后Eden区执行Minor GC后，就将剩余的对象添加Survivor1（此时，Survivor0是空白的）。 
当两个存活区切换了几次（HotSpot虚拟机默认15次，用-XX:MaxTenuringThreshold控制，大于该值进入老年代）之后，仍然存活的对象（其实只有一小部分，比如，我们自己定义的对象），将被复制到老年代。 
　　从上面的过程可以看出，Eden区是连续的空间，且Survivor总有一个为空。经过一次GC和复制，一个Survivor中保存着当前还活 着的对象，而Eden区和另一个Survivor区的内容都不再需要了，可以直接清空，到下一次GC时，两个Survivor的角色再互换。因此，这种方 式分配内存和清理内存的效率都极高，这种垃圾回收的方式就是著名的“停止-复制（Stop-and-copy）”清理法（将Eden区和一个Survivor中仍然存活的对象拷贝到另一个Survivor中），这不代表着停止复制清理法很高效，其实，它也只在这种情况下高效，如果在老年代采用停止复制，则挺悲剧的。

　　在Eden区，HotSpot虚拟机使用了两种技术来加快内存分配。分别是bump-the-pointer和TLAB（Thread- Local Allocation Buffers），这两种技术的做法分别是：由于Eden区是连续的，因此bump-the-pointer技术的核心就是跟踪最后创建的一个对象，在对 象创建时，只需要检查最后一个对象后面是否有足够的内存即可，从而大大加快内存分配速度；而对于TLAB技术是对于多线程而言的，将Eden区分为若干 段，每个线程使用独立的一段，避免相互影响。TLAB结合bump-the-pointer技术，将保证每个线程都使用Eden区的一段，并快速的分配内 存。 
　　年老代（Old Generation）：对象如果在年轻代存活了足够长的时间而没有被清理掉（即在几次 Young GC后存活了下来），则会被复制到年老代，年老代的空间一般比年轻代大，能存放更多的对象，在年老代上发生的GC次数也比年轻代少。当年老代内存不足时， 将执行Major GC，也叫 Full GC。　　 
　　可以使用-XX:+UseAdaptiveSizePolicy开关来控制是否采用动态控制策略，如果动态控制，则动态调整Java堆中各个区域的大小以及进入老年代的年龄。 
　　如果对象比较大（比如长字符串或大数组），Young空间不足，则大对象会直接分配到老年代上（大对象可能触发提前GC，应少用，更应避免使用短命的大对象）。用-XX:PretenureSizeThreshold来控制直接升入老年代的对象大小，大于这个值的对象会直接分配在老年代上。 
　可能存在年老代对象引用新生代对象的情况，如果需要执行Young GC，则可能需要查询整个老年代以确定是否可以清理回收，这显然是低效的。解决的方法是，年老代中维护一个512 byte的块——”card table“，所有老年代对象引用新生代对象的记录都记录在这里。Young GC时，只要查这里即可，不用再去查全部老年代，因此性能大大提高。

Java GC机制

年轻代：

　　事实上，在上一节，已经介绍了新生代的主要垃圾回收方法，在新生代中，使用“停止-复制”算法进行清理，将新生代内存分为2部分，1部分 Eden区较大，1部分Survivor比较小，并被划分为两个等量的部分。每次进行清理时，将Eden区和一个Survivor中仍然存活的对象拷贝到 另一个Survivor中，然后清理掉Eden和刚才的Survivor。 
　　这里也可以发现，停止复制算法中，用来复制的两部分并不总是相等的（传统的停止复制算法两部分内存相等，但新生代中使用1个大的Eden区和2个小的Survivor区来避免这个问题）

　　由于绝大部分的对象都是短命的，甚至存活不到Survivor中，所以，Eden区与Survivor的比例较大，HotSpot默认是 8:1，即分别占新生代的80%，10%，10%。如果一次回收中，Survivor+Eden中存活下来的内存超过了10%，则需要将一部分对象分配到 老年代。用-XX:SurvivorRatio参数来配置Eden区域Survivor区的容量比值，默认是8，代表Eden：Survivor1：Survivor2=8:1:1.

老年代：

老年代存储的对象比年轻代多得多，而且不乏大对象，对老年代进行内存清理时，如果使用停止-复制算法，则相当低效。一般，老年代用的算法是标记-整理算法，即：标记出仍然存活的对象（存在引用的），将所有存活的对象向一端移动，以保证内存的连续。 
在发生Minor GC时，虚拟机会检查每次晋升进入老年代的大小是否大于老年代的剩余空间大小，如果大于，则直接触发一次Full GC，否则，就查看是否设 置了-XX:+HandlePromotionFailure（允许担保失败），如果允许，则只会进行MinorGC，此时可以容忍内存分配失败；如果不 允许，则仍然进行Full GC（这代表着如果设置-XX:+Handle PromotionFailure，则触发MinorGC就会同时触发Full GC，哪怕老年代还有很多内存，所以，最好不要这样做）。

方法区（永久代）：

　 永久代的回收有两种：常量池中的常量，无用的类信息，常量的回收很简单，没有引用了就可以被回收。对于无用的类进行回收，必须保证3点： 
类的所有实例都已经被回收 
加载类的ClassLoader已经被回收 
类对象的Class对象没有被引用（即没有通过反射引用该类的地方） 
永久代的回收并不是必须的，可以通过参数来设置是否对类进行回收。HotSpot提供-Xnoclassgc进行控制 
使用-verbose，-XX:+TraceClassLoading、-XX:+TraceClassUnLoading可以查看类加载和卸载信息 
-verbose、-XX:+TraceClassLoading可以在Product版HotSpot中使用； 
-XX:+TraceClassUnLoading需要fastdebug版HotSpot支持 
垃圾收集器

参数	内容
-Xms	初始堆大小。如：-Xms256m
-Xmx	最大堆大小。如：-Xmx512m
-Xmn	新生代大小。通常为 Xmx 的 1/3 或 1/4。新生代 = Eden + 2 个 Survivor 空间。实际可用空间为 = Eden + 1 个 Survivor，即 90%
-Xss	JDK1.5+ 每个线程堆栈大小为 1M，一般来说如果栈不是很深的话， 1M 是绝对够用了的。
-XX:NewRatio	新生代与老年代的比例，如 –XX:NewRatio=2，则新生代占整个堆空间的1/3，老年代占2/3
-XX:SurvivorRatio	新生代中 Eden(8) 与 Survivor(1+1) 的比值。默认值为 8。即 Eden 占新生代空间的 8/10，另外两个 Survivor 各占 1/10
-XX:PermSize	永久代(方法区)的初始大小
-XX:MaxPermSize	永久代(方法区)的最大值
-XX:+PrintGCDetails	打印 GC 信息
-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError	让虚拟机在发生内存溢出时 Dump 出当前的内存堆转储快照，以便分析用
-XX:HeapDumpPath	自定义指定oom时dump文件存储路径，不配置时保存到默认路径

垃圾收集器

在GC机制中，起重要作用的是垃圾收集器，垃圾收集器是GC的具体实现，Java虚拟机规范中对于垃圾收集器没有任何规定，所以不同厂商实现的垃圾 收集器各不相同，HotSpot 1.6版使用的垃圾收集器如下图（图来源于《深入理解Java虚拟机：JVM高级特效与最佳实现》，图中两个收集器之间有连线，说明它们可以配合使用）： 

在介绍垃圾收集器之前，需要明确一点，就是在新生代采用的停止复制算法中，“停 止（Stop-the-world）”的意义是在回收内存时，需要暂停其他所 有线程的执行。这个是很低效的，现在的各种新生代收集器越来越优化这一点，但仍然只是将停止的时间变短，并未彻底取消停止。

Serial收集器：新生代收集器，使用停止复制算法，使用一个线程进行GC，其它工作线程暂停。使用-XX:+UseSerialGC可以使用Serial+Serial Old模式运行进行内存回收（这也是虚拟机在Client模式下运行的默认值） 
ParNew收集器：新生代收集器，使用停止复制算法，Serial收集器的多线程版，用多个线程进行GC，其它工作线程暂停，关注缩短垃圾收集时间。使用-XX:+UseParNewGC开关来控制使用ParNew+Serial Old收集器组合收集内存；使用-XX:ParallelGCThreads来设置执行内存回收的线程数。 
Parallel Scavenge 收集器：新生代收集器，使用停止复制算法，关注CPU吞吐量，即运行用户代码的时间/总时间，比如：JVM运行100分钟，其中运行用户代码99分钟，垃 圾收集1分钟，则吞吐量是99%，这种收集器能最高效率的利用CPU，适合运行后台运算（关注缩短垃圾收集时间的收集器，如CMS，等待时间很少，所以适 合用户交互，提高用户体验）。使用-XX:+UseParallelGC开关控制使用 Parallel Scavenge+Serial Old收集器组合回收垃圾（这也是在Server模式下的默认值）；使用-XX:GCTimeRatio来设置用户执行时间占总时间的比例，默认99，即 1%的时间用来进行垃圾回收。使用-XX:MaxGCPauseMillis设置GC的最大停顿时间（这个参数只对Parallel Scavenge有效） 
Serial Old收集器：老年代收集器，单线程收集器，使用标记整理（整理的方法是Sweep（清理）和Compact（压缩），清理是将废弃的对象干掉，只留幸存 的对象，压缩是将移动对象，将空间填满保证内存分为2块，一块全是对象，一块空闲）算法，使用单线程进行GC，其它工作线程暂停（注意，在老年代中进行标 记整理算法清理，也需要暂停其它线程），在JDK1.5之前，Serial Old收集器与ParallelScavenge搭配使用。 
Parallel Old收集器：老年代收集器，多线程，多线程机制与Parallel Scavenge差不错，使用标记整理（与Serial Old不同，这里的整理是Summary（汇总）和Compact（压缩），汇总的意思就是将幸存的对象复制到预先准备好的区域，而不是像Sweep（清 理）那样清理废弃的对象）算法，在Parallel Old执行时，仍然需要暂停其它线程。Parallel Old在多核计算中很有用。Parallel Old出现后（JDK 1.6），与Parallel Scavenge配合有很好的效果，充分体现Parallel Scavenge收集器吞吐量优先的效果。使用-XX:+UseParallelOldGC开关控制使用Parallel Scavenge +Parallel Old组合收集器进行收集。 
CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器：老年代收集器，致力于获取最短回收停顿时间，使用标记清除算法，多线程，优点是并发收集（用户线程可以和GC线程同时工作），停顿小。使用-XX:+UseConcMarkSweepGC进行ParNew+CMS+Serial Old进行内存回收，优先使用ParNew+CMS（原因见后面），当用户线程内存不足时，采用备用方案Serial Old收集。 
CMS收集的方法是：先3次标记，再1次清除，3次标记中前两次是初始标记和重新标记（此时仍然需要停止（stop the world））， 初始标记（Initial Remark）是标记GC Roots能关联到的对象（即有引用的对象），停顿时间很短；并发标记（Concurrent remark）是执行GC Roots查找引用的过程，不需要用户线程停顿；重新标记（Remark）是在初始标记和并发标记期间，有标记变动的那部分仍需要标记，所以加上这一部分 标记的过程，停顿时间比并发标记小得多，但比初始标记稍长。在完成标记之后，就开始并发清除，不需要用户线程停顿。 
所以在CMS清理过程中，只有初始标记和重新标记需要短暂停顿，并发标记和并发清除都不需要暂停用户线程，因此效率很高，很适合高交互的场合。 
CMS也有缺点，它需要消耗额外的CPU和内存资源，在CPU和内存资源紧张，CPU较少时，会加重系统负担（CMS默认启动线程数为(CPU数量+3)/4）。 
另外，在并发收集过程中，用户线程仍然在运行，仍然产生内存垃圾，所以可能产生“浮动垃圾”，本次无法清理，只能下一次Full GC才清理，因此在GC期间，需要预留足够的内存给用户线程使用。所以使用CMS的收集器并不是老年代满了才触发Full GC，而是在使用了一大半（默认68%，即2/3，使用-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction来设置）的时候就要进行Full GC，如果用户线程消耗内存不是特别大，可以适当调高-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction以降低GC次数，提高性能，如果预留的用户线程内存不够，则会触发Concurrent Mode Failure，此时，将触发备用方案：使用Serial Old 收集器进行收集，但这样停顿时间就长了，因此-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction不宜设的过大。 
还有，CMS采用的是标记清除算法，会导致内存碎片的产生，可以使用-XX：+UseCMSCompactAtFullCollection来设置是否在Full GC之后进行碎片整理，用-XX：CMSFullGCsBeforeCompaction来设置在执行多少次不压缩的Full GC之后，来一次带压缩的Full GC。

G1收集器：在JDK1.7中正式发布，与现状的新生代、老年代概念有很大不同，目前使用较少，不做介绍。 
注意并发（Concurrent）和并行（Parallel）的区别： 

1. 并发是指用户线程与GC线程同时执行（不一定是并行，可能交替，但总体上是在同时执行的），不需要停顿用户线程（其实在CMS中用户线程还是需要停顿的，只是非常短，GC线程在另一个CPU上执行）； 
2. 并行收集是指多个GC线程并行工作，但此时用户线程是暂停的； 
所以，Serial和Parallel收集器都是并行的，而CMS收集器是并发的.

参考： 
http://www.it165.net/pro/html/201501/32890.html 
http://blog.youkuaiyun.com/ochangwen/article/details/51407574 
http://blog.youkuaiyun.com/ochangwen/article/details/51407167 
http://www.cnblogs.com/hnrainll/archive/2013/11/06/3410042.html