垃圾收集器与内存分配策略

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    阅读《深入理解Java虚拟机》艺术第三章“垃圾收集器与内存分配策略”，对本章中重要概念进行抄写，以便后续记忆及理解。

    在堆里存放着Java世界中几乎所有的对象实例，垃圾收集器在对堆进行回收前，第一件事情就是要确定这些对象中哪些还“存活”着，哪些已经“死去”(不可能再被任何途径使用的对象)。

 对象已死吗

引用计数算法

    概念：给对象中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，计数器就减1；任何时刻计数器为0的对象就是不可能再被使用的。但在主流java虚拟机里面没有选用引用计数器算法来管理内存，其中最主要的原因是它很难解决对象之间相互循坏引用的问题。

可达性分析算法

    基本思路是通过一系列称为“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。在主流的商用程序语言(java,c#)的主流实现中，都是通过可达性分析来判断对象是否存活的。

    

    在java语言中，可作为GC Roots的对象包括下面几种

• 虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象。

• 方法区中类静态属性引用的对象

• 方法区中常量引用的对象。

• 本地方法栈中JNI(即一般说的Native方法)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(Strong Reference)、软引用（Soft Reference）、弱引用（Weak Reference）、虚引用(Phantom Reference)4种，这4种引用强度依次逐渐减弱。

• 强引用就是指在程序代码中普遍存在的，类似“Object obj = new Object()”这类的引用，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。

• 软引用是用来描述一些还有用但并非必须的对象。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二次回收，如果这次回收还没有足够内存时，才会抛出内存溢出异常。在JDK1.2之后，提供类SoftReference类来实现软引用。

• 弱引用也是用来描述非必需对象的，但是它的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器之前。当垃圾收集器工作时，无论当前内存是否足够，都会回收掉只被弱引用关联的对象。在JDK1.2之后，提供了WeakReference来实现弱引用。

• 虚引用是最弱的一种引用关系。一个对象是否有虚引用的存在，完全不会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。为一个对象设置虚引用关联的唯一目的就是能在对象被收集器回收时收到一个系统通知。提供了PhantomReference来实现虚引用。

  生存还是死亡

        即使在可达性分析算法中不可达的对象，也并非是“非死不可”的，这时候它们暂处于“缓刑”阶段，要真正宣告一个对象的死亡，至少要经过两次标记过程：如果对象在经历可达性分析后发现没有与GC Roots相连接的引用链，那它将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”。但并不鼓励大家使用finalize()方法来拯救对象，，它的运行代价高昂，不确定性大，无法保证各个对象的调用顺序。finalize()能做的所有工作，使用try-finally或者其他方式都可以做的更好、更即时。

回收方法区

    方法区(或者HotSpot虚拟机中的永久代)也是有垃圾收集的，的垃圾收集主要回收两部分内容：废弃常量和无用的类。回收废弃常量与回收java堆中的对象非常类似；判断一个类是否是“无用的类”的条件则相对苛刻许多。类需要满足下面3个条件才能算是“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。

  垃圾收集算法

 标记-清除算法

    算法分为“标记”，“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。它的主要不足有两个：一个是效率问题，标记和清除两个过程效率都不高；另一个是空间问题，标记清除之后会产生大量不连续的碎片，空间碎片太多可能会导致以后再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一次垃圾收集动作。

 

复制算法

    它将可用的内存容量划分为大小相等的两块，每次只使用其中一块。当这一块的内存用完了，就将还存活着的对象赋值到另一块上面，然后再把已使用过的内存空间一次性清理掉。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，按顺序分配即可，实现简单，运行高效。但这种算法的代价是将内存缩小为了原来的一般，未免特太高了一点。

    

标记-整理算法

    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，效率降低。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。标记-整理算法过程仍然与“标记-清除”一样，但后续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想一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存。

分代收集算法

当前商业虚拟机的垃圾收集器都采用“分代收集”算法，根据对象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、老年代。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”或者“标记-整理”算法进行回收。

HotSpot算法实现

枚举跟节点

    在可达性分析中从GC Roots节点找引用链这个操作为例，可作为GC Roots的节点主要在全局性的引用(例如常量类或静态属性)与执行上下文(例如栈中的本地变量表)中，现在很多应用仅仅方法区就有数百兆，如果逐个检查这里面的引用，那么必然会消耗很多时间。

    另外可达性分析执行时间的敏感还体现在GC停顿上，因为这项分析工作必须在一个能确保一致性的快照中进行——“一致性”是指在整个分析期间整个执行系统看起来就像被冻结在某个时间点上，不可以出现分析过程中对象引用关系还在不断变化的情况i，该店不满足的话分析结果准确性就无法得到保障。这点导致GC进行时必须停顿所有java执行线程(stop the world)。

    在HotSpot实现险种，使用一组陈伟OopMap的数据结构达到当执行系统停顿下来后，并不需要一个不漏的检查完所有执行上下文和全局引用位置。在类加载完成的时候，HotSpot就把对象内什么偏移量上是什么类型的数据计算而来，在JIT编译过程中，也会在特定的位置记录下栈和寄存器中哪些位置的引用。

安全点

    安全点值程序执行时并非在所有地方都能停顿下来开始GC，只有达到安全点时才能暂停。对于安全点的设置需要注意：

• 安全点的选定既不能太少以至于让GC等待时间过长，也不能过于频繁以至于过分增大运行时的符合；

• 另一个需要注意的问题是如何在GC发生时如何在GC发生时让所有线程都“跑”到最近的安全点上再停顿下来，这又两种方案选择：

  • 抢先试中断：不需要线程的执行代码主动去配合，在GC发生时，首先把所有线程全部中断，如果发现有线程中断的地方不在安全点上，就恢复线程，让它跑到安全点上。现在没有虚拟机使用此种方式相应GC事件。

  • 主动式中断：当GC需要中断线程的时候，不直接堆线程操作，仅仅简单的设置一个标志，各个线程执行时主动去轮询这个标志，发现中断标志位真时就自己中断挂起。轮询标志地方和安全点是重合的，另外再加上创建对象需要分配内存的地方。

安全区域

安全点(SafePoint)机制保证了程序执行时，在不太长的时间内疚会遇到可进入GC的Safepoint,但程序“不执行”的时候，就需要安全区域来解决。安全区域指的是在一段代码片段中，引用关系不会发生变化，这个区域的任何地方开始GC都是安全的。

垃圾收集器

上图中如果两个收集器之间有连线则代表可以搭配使用。

Serial/Serial Old收集器收集器

• 缺点：serial收集器是一个单线程的收集器，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来及收集工作，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。

• 优点：简单而高效，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，专心做垃圾收集可以获得最高的单线程收集效率。因此Serial收集器对于运行在Client模式(默认Serial收集器)下的虚拟机来说是一个很好的选择。
  

        

ParNew收集器

• 优点：PerNew收集器是Serial收集器的多线程版本。它是除类Serial收集外，目前只能与CMS收集器配合工作。

• 缺点：在单CPU的环境下绝对不会比Serial收集器有更好的效果，甚至由于存在线程交互的开销，该收集器在通过超线程技术实现两个CPU的环境中都不能保证比Serial收集器好。但随着CPU的增加，它的优点就越明显。

• 它默认开启的线程数与CPU的数量相同，可以使用-XX：ParallelGCThreads参数来限制垃圾收集的线程数。

Parallel Scavenge/old收集器

    Parallel Scavenge收集器使用复制算法收集器，又是并行的多线程收集器。Parallel Scavenge收集器的目标是达到一个可控制的吞吐量（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））。Parallel Scavenge收集器提供了两个参数用于精准控制吞吐量，分别是控制最大垃圾收集停顿时间的-XX:MaxGCPauseMillis参数(x>0的毫秒数)以及直接设置吞吐量大小的-XX:GCTimeRatio参数(设置一个0<x<100的整数，表示垃圾收集器时间占总时间的比率，相当于吞吐量的倒数)。

CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器

    CMS收集器是一种以获取最短停顿时间为目标的收集器。它是基于“标记-清除”算法实现的，整个过程分为4个步骤：

• 初始标记(CMS initial mark)：需要用户线程停顿。标记一下GC Roots能直接关联到的对象，

• 并发标记(CMS concurrent mark)：进行GC Roots Tracing的过程。

• 重新标记(CMS remark):需要用户线程停顿，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，但比并发标记要短。

• 并发清除(CMS  concurrent sweep)：
  

缺点：

• CMS收集器对CPU资源非常敏感.CMS默认启动的回收线程数是（CPU数量+3）/4，在并发阶段，它虽然不会导致用户线程停顿，但是会占用一部分线程而导致应用程序变慢，总吞吐量对降低。

• CMS收集器无法处理浮动垃圾，可能出现“Concurrent Mode Failure”失败而导致另一次Full Gc的产生。也是由于在垃圾收集阶段用户线程还需要运行，那么久还需要预留有足够的内存空间给用户线程使用，因此CMS收集器不能像其他收集器那样等到老年代几乎完全被填满了再收集，需要预留一部分空间提供并发收集时的程序运作使用。可以使用-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction的值来设置触发百分比。

• CMS是一款基于“标记-清除”算法实现的收集器，这意味着收集结束时会有大量的空间碎片产生。空间碎片过多将会给大对象带来麻烦，往往会出现老年代还有很大剩余空间，但是无法找到足够大的连续空间来分配当前对象，不得不提前触发一次full Gc。CMS提供了-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection开关参数(默认是开的)，用户在CMS收集器顶不要进行Full GC时开启内存碎片的合并整理过程，内存整理的过程是无法并发的，空间碎片的问题没有了，但停顿的时间会变长；提供-XX:CMSFullGCBeforeCompaction,这个参数用户设置多少次不压缩Full GC后，跟着来一次带压缩的碎片整理，默认为0。

G1收集器

G1收集器是一款面向服务端应用的垃圾收集器，成熟版基于JDK1.7，与其他收集器相比，它以下特点。

• 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来缩短Stop-The-World停顿时间。

• 分代收集：G1收集器可收集新生代与老年代两种，不需要其他收集器配合就可以独立管理整个GC堆。

• 空间整合：G1采用“标记-整理”算法实现收集器，着意味着G1运作期间不会产生内存空间碎片，收集后可提供规整的可用内存。

• 可预测的停顿：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，消耗在垃圾收集器上的时间不得超过N毫秒。

  
  

垃圾收集器参数总结

参数	描述
UseSerialGC	虚拟机运行在Client模式下的默认值，打开此类开关后，使用Serial+Serial Old的收集器组合进行内存回收
UseParNewGC	打开此类开关后，使用ParNew + Serial Old的收集器组合进行内存回收
UseConcMarkSweepGC	打开此类开关后，使用ParNew + CMS + Serial Old的收集器组合进行内存回收。Serial Old收集器将作为CMS收集器出现Concurrent Mode Failure失败后的后备收集器使用
UseParallelGC	虚拟机运行在Server模式下的默认值，打开此开关后，使用Parallel Scavenge +Serial Old的收集器组合进行内存回收
UseParallelOldGC	打开此开关后，使用Parallel Scavenge +Parallel Old的收集器组合进行内存回收
SurvivorRatio	新生代中Eden区域与Survivor区域的容量比值，默认为8，代表Eden:Survivor = 8:1
PretenureSizeThreshold	直接晋升到老年代的对象大小，设置这个参数后，大于这个参数的对象将直接在老年代分配
MaxTenuringThreshold	晋升到老年代的对象年龄。每个对象在坚持过一次Minor GC之后，年龄就增加1，当超过这个参数值时就进入老年代
UseAdaptiveSizePolicy	动态调整java堆中各个区域的大小以及进入老年代的年龄

HandlePromotionFailure	是否允许分配担保失败，即老年代的剩余空间不足以应付新生代整个Eden和Survivor区的所有对象存活的极端情况
ParallelGTThreads	设置并行的GC进行内存回收的线程数
GCTimeRatio	GC时间占总时间的比率，默认值是99，即允许1%的GC时间，仅在使用Parallel Scavenge收集器时生效
MaxGCPauseMillis	设置GC最大停顿时间，仅在使用Parallel Scavenge收集器时生效
CMSInitiatingOccupancyFraction	设置CMS收集器在老年代空间被使用多少后触发垃圾收集，默认值为68%，仅在使用CMS收集器时生效。
UseCMSConpactAtFullCollection	设置CMS收集器在完成垃圾收集器后是否要进行一次内存碎片整理。仅在使用CMS收集器时生效。
CMSFullGCsBeforeCommpaction	设置CMS收集器在进行若干次来及收集后再启动一次内存碎片整理。仅在使用CMS收集器时生效。

转载于:https://my.oschina.net/aiyungui/blog/490415