Java垃圾回收

参考：https://baijiahao.baidu.com/s?id=1610753983428990724&wfr=spider&for=pc
参考：https://blog.youkuaiyun.com/u010651203/article/details/79662198
参考：https://www.cnblogs.com/yw-ah/p/5830458.html
好文章：
java对象的四种引用：强引用、软引用、弱引用和虚引用
扒一扒JVM的垃圾回收机制

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引用种类

强引用
只要引用存在，垃圾回收器永远不会回收

Object obj = new Object(); //可直接通过obj取得对应的对象 如obj.equels(new Object());

而这样 obj对象对后面new Object的一个强引用，只有当obj这个引用被释放之后，对象才会被释放掉，这也是我们经常所用到的编码形式。

当内存不足时，jvm宁可出现OutOfMemeryError错误而使程序停止，也不会回收此对象来释放空间。

软引用

非必须引用，内存溢出之前进行回收，可以通过以下代码实现

Object obj = new Object();
SoftReference<Object> sf = new SoftReference<Object>(obj);
obj = null;
sf.get();//有时候会返回null

这时候sf是对obj的一个软引用，通过sf.get()方法可以取到这个对象，当然，当这个对象被标记为需要回收的对象时，则返回null；
软引用主要用户实现类似缓存的功能，在内存足够的情况下直接通过软引用取值，无需从繁忙的真实来源查询数据，提升速度；当内存不足时，自动删除这部分缓存数据，从真正的来源查询这些数据。

当内存不足时，会回收这些对象的内存，用来实现内存敏感的高速缓存

弱引用

无论内存是否紧张，被垃圾回收器发现立即回收，可以通过如下代码实现

Object obj = new Object();
WeakReference<Object> wf = new WeakReference<Object>(obj);
obj = null;
wf.get();//有时候会返回null
wf.isEnQueued();//返回是否被垃圾回收器标记为即将回收的垃圾

弱引用是无论内存是否紧张，被垃圾回收器发现立即回收，当执行过垃圾回收时，将返回null。
弱引用主要用于监控对象是否已经被垃圾回收器标记为即将回收的垃圾，可以通过弱引用的isEnQueued方法返回对象是否被垃圾回收器标记。

虚引用

垃圾回收时回收，无法通过引用取到对象值，可以通过如下代码实现

Object obj = new Object();
PhantomReference<Object> pf = new PhantomReference<Object>(obj);
obj=null;
pf.get();//永远返回null
pf.isEnQueued();//返回是否从内存中已经删除

虚引用是每次垃圾回收的时候都会被回收，通过虚引用的get方法永远获取到的数据为null，因此也被成为幽灵引用。
虚引用主要用于检测对象是否已经从内存中删除。

和没有任何引用一样

垃圾回收GC

什么是自动垃圾回收？

自动垃圾回收是一种在堆内存中找出哪些对象在被使用，还有哪些对象没被使用，并且将后者删掉的机制。所谓使用中的对象（已引用对象），指的是程序中有指针指向的对象；而未使用中的对象（未引用对象），则没有被任何指针给指向，因此占用的内存也可以被回收掉。

在用 C 之类的编程语言时，程序员需要自己手动分配和释放内存。而 Java 不一样，它有垃圾回收器，释放内存由回收器负责。本文接下来将介绍垃圾回收机制的基本过程。

第一步：标记

垃圾回收的第一步是标记。垃圾回收器此时会找出哪些内存在使用中，还有哪些不是。

上图中，蓝色表示已引用对象，橙色表示未引用对象。垃圾回收器要检查完所有的对象，才能知道哪些有被引用，哪些没。如果系统里所有的对象都要检查，那这一步可能会相当耗时间。

第二步：清除

这一步会删掉标记出的未引用对象。

内存分配器会保留指向可用内存的引用，以供分配新对象。

压缩

为了提升性能，删除了未引用对象后，还可以将剩下的已引用对象放在一起（压缩），这样就能更简单快捷地分配新对象了。

为什么需要分代垃圾收集？

之前说过，逐一标记和压缩 Java 虚拟机里的所有对象非常低效：分配的对象越多，垃圾回收需时就越久。不过，根据统计，大部分的对象，其实用没多久就不用了。

来看个例子吧。（下图中，竖轴代表已分配的字节，而横轴代表程序运行时间）

上图可见，存活（没被释放）的对象随运行时间越来越少。而图中左侧的那些峰值，也表明了大部分对象其实都挺短命的。

JVM 分代

根据之前的规律，就可以用来提升JVM的效率了。方法是，把堆分成几个部分（就是所谓的分代），分别是新生代、老年代，以及永生代。

新对象会被分配在新生代内存。一旦新生代内存满了，就会开始对死掉的对象，进行所谓的小型垃圾回收过程。一片新生代内存里，死掉的越多，回收过程就越快；至于那些还活着的对象，此时就会老化，并最终老到进入老年代内存。

Stop the World 事件—— 小型垃圾回收属于一种叫 “Stop the World” 的事件。在这种事件发生时，所有的程序线程都要暂停，直到事件完成（比如这里就是完成了所有回收工作）为止。

老年代用来保存长时间存活的对象。通常，设置一个阈值，当达到该年龄时，年轻代对象会被移动到老年代。最终老年代也会被回收。这个事件成为 Major GC。

Major GC 也会触发STW（Stop the World）。通常，Major GC会慢很多，因为它涉及到所有存活对象。所以，对于响应性的应用程序，应该尽量避免Major GC。还要注意，Major GC的STW的时长受年老代垃圾回收器类型的影响。

永久代包含JVM用于描述应用程序中类和方法的元数据。永久代是由JVM在运行时根据应用程序使用的类来填充的。此外，Java SE类库和方法也存储在这里。

如果JVM发现某些类不再需要，并且其他类可能需要空间，则这些类可能会被回收。

世代垃圾收集过程

现在你已经理解了为什么堆被分成不同的代，现在是时候看看这些空间是如何相互作用的。 后面的图片将介绍JVM中的对象分配和老化过程。

首先，将任何新对象分配给 eden 空间。 两个 survivor 空间都是空的。

当 eden 空间填满时，会触发轻微的垃圾收集。

引用的对象被移动到第一个 survivor 空间。 清除 eden 空间时，将删除未引用的对象。

在下一次Minor GC中，Eden区也会做同样的操作。删除未被引用的对象，并将被引用的对象移动到Survivor区。然而，这里，他们被移动到了第二个Survivor区（S1）。此外，第一个Survivor区（S0）中，在上一次Minor GC幸存的对象，会增加年龄，并被移动到S1中。待所有幸存对象都被移动到S1后，S0和Eden区都会被清空。注意，Survivor区中有了不同年龄的对象。

在下一次Minor GC中，会重复同样的操作。不过，这一次Survivor区会交换。被引用的对象移动到S0,。幸存的对象增加年龄。Eden区和S1被清空。

此幻灯片演示了 promotion。 在较小的GC之后，当老化的物体达到一定的年龄阈值（在该示例中为8）时，它们从年轻一代晋升到老一代。

随着较小的GC持续发生，物体将继续被推广到老一代空间。

所以这几乎涵盖了年轻一代的整个过程。 最终，将主要对老一代进行GC，清理并最终压缩该空间。

GC收集器

如果说收集算法是内存回收的方法论，那么垃圾收集器就是内存回收的具体实现。

Java虚拟机规范中对垃圾收集器应该如何实现并没有任何规定，因此不同的厂商、不同版本的虚拟机所提供的垃圾收集器都可能会有很大差别，并且一般都会提供参数供用户根据自己的应用特点和要求组合出各个年代所使用的收集器。下图中展示了7种作用于不同分代的收集器，如果两个收集器之间存在连线，就说明它们可以搭配使用。虚拟机所处的区域，则表示它是属于新生代收集器还是老年代收集器。

一、Serial收集器

Serial收集器是最基本、发展历史最悠久的收集器，曾经（在JDK 1.3.1之前）是虚拟机新生代收集的唯一选择。

特性：
这个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。Stop The World

优势：
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。

二、ParNew收集器

特性：
ParNew收集器其实就是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。

优势：
除了多线程收集以外，跟Serial收集器一样，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。CMS作为老年代的收集器，却无法与JDK 1.4.0中已经存在的新生代收集器Parallel Scavenge配合工作，所以在JDK 1.5中使用CMS来收集老年代的时候，新生代只能选择ParNew或者Serial收集器中的一个。

Serial收集器 VS ParNew收集器：
ParNew收集器在单CPU的环境中绝对不会有比Serial收集器更好的效果，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的两个CPU的环境中都不能百分之百地保证可以超越Serial收集器。
然而，随着可以使用的CPU的数量的增加，它对于GC时系统资源的有效利用还是很有好处的。

三、Parallel Scavenge收集器

特性：
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收集器的目标是达到一个可控的吞吐量，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。

Parallel Scavenge收集器 VS ParNew收集器：

Parallel Scavenge收集器与ParNew收集器的一个重要区别是它具有自适应调节策略。Parallel Scavenge收集器有一个参数-XX:+UseAdaptiveSizePolicy。当这个参数打开之后，就不需要手工指定新生代的大小、Eden与Survivor区的比例、晋升老年代对象年龄等细节参数了，虚拟机会根据当前系统的运行情况收集性能监控信息，动态调整这些参数以提供最合适的停顿时间或者最大的吞吐量，这种调节方式称为GC自适应的调节策略（GC Ergonomics）。

四、Serial Old收集器

特性：
Serial Old是Serial收集器的老年代版本，它同样是一个单线程收集器，使用标记－整理算法。它主要有两大用途：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Concurrent Mode Failure时使用。

五、Parallel Old收集器

特性：
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。

优势：
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。这个收集器是在JDK 1.6中才开始提供的，在此之前，新生代的Parallel Scavenge收集器一直处于比较尴尬的状态。原因是，如果新生代选择了Parallel Scavenge收集器，老年代除了Serial Old收集器外别无选择。由于老年代Serial Old收集器在服务端应用性能上的“拖累”，使用了Parallel Scavenge收集器也未必能在整体应用上获得吞吐量最大化的效果，由于单线程的老年代收集中无法充分利用服务器多CPU的处理能力，在老年代很大而且硬件比较高级的环境中，这种组合的吞吐量甚至还不一定有ParNew加CMS的组合“给力”。直到Parallel Old收集器出现后，“吞吐量优先”收集器终于有了比较名副其实的应用组合。

六、CMS收集器

特性：
CMS（Concurrent Mark Sweep）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，它的运作过程相对于前面几种收集器来说更复杂一些，整个过程分为4个步骤：

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初始标记（CMS initial mark） 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，需要“Stop The World”。

并发标记（CMS concurrent mark） 并发标记阶段就是进行GC Roots Tracing的过程。

重新标记（CMS remark） 重新标记阶段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，仍然需要“Stop The World”。

并发清除（CMS concurrent sweep） 并发清除阶段会清除对象。

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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。

优点：
CMS是一款优秀的收集器，它的主要优点在名字上已经体现出来了：并发收集、低停顿。

缺点：
CMS收集器对CPU资源非常敏感
其实，面向并发设计的程序都对CPU资源比较敏感。在并发阶段，它虽然不会导致用户线程停顿，但是会因为占用了一部分线程（或者说CPU资源）而导致应用程序变慢，总吞吐量会降低。
CMS默认启动的回收线程数是（CPU数量+3）/ 4，也就是当CPU在4个以上时，并发回收时垃圾收集线程不少于25%的CPU资源，并且随着CPU数量的增加而下降。但是当CPU不足4个（譬如2个）时，CMS对用户程序的影响就可能变得很大。

CMS收集器无法处理浮动垃圾
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。

由于CMS并发清理阶段用户线程还在运行着，伴随程序运行自然就还会有新的垃圾不断产生，这一部分垃圾出现在标记过程之后，CMS无法在当次收集中处理掉它们，只好留待下一次GC时再清理掉。这一部分垃圾就称为“浮动垃圾”。
也是由于在垃圾收集阶段用户线程还需要运行，那也就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进行收集，需要预留一部分空间提供并发收集时的程序运作使用。要是CMS运行期间预留的内存无法满足程序需要，就会出现一次“Concurrent Mode Failure”失败，这时虚拟机将启动后备预案：临时启用Serial Old收集器来重新进行老年代的垃圾收集，这样停顿时间就很长了。

CMS收集器会产生大量空间碎片
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空间碎片产生。

空间碎片过多时，将会给大对象分配带来很大麻烦，往往会出现老年代还有很大空间剩余，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。

七、G1收集器

特性：
G1（Garbage-First）是一款面向服务端应用的垃圾收集器。HotSpot开发团队赋予它的使命是未来可以替换掉JDK 1.5中发布的CMS收集器。与其他GC收集器相比，G1具备如下特点。
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。

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。

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。

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。

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。

执行过程：
G1收集器的运作大致可划分为以下几个步骤：

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初始标记（Initial Marking）
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（Concurrent Marking）
并发标记阶段是从GCRoot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。

最终标记（Final Marking）
最终标记阶段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。

筛选回收（Live Data Counting and Evacuation）
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。

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总结

关于GC的种类归纳，推荐查看HotSpot VM GC 的种类 这篇博客，有细致的分类和总结。

JDK7,JDK8中JVM内存变化

Java7中已经将运行时常量池从永久代移除，在Java 堆（Heap）中开辟了一块区域存放运行时常量池。
Java8中，已经彻底没有了永久代，将方法区直接放在一个与堆不相连的本地内存区域，这个区域被叫做元空间。

JDK1.7之前的版本

其中最上一层是Nursery内存，一个对象被创建以后首先被放到Nursery中的Eden内
存中，如果存活期超两个Survivor之后就会被转移到长时内存中(Old Generation)中。

JDK1.8版本

JDK8中把存放元数据中的永久内存从堆内存中移到了本地内存(native memory)中，这样永久内存就不再占用堆内存，它可以通过自动增长来避免JDK7以及前期版本中常见的永久内存错误(Java.lang.OutOfMemoryError: PermGen)。

JDK8也提供了一个新的设置Matespace内存大小的参数：-XX:MaxMetaspaceSize=128m

注意：如果不设置JVM将会根据一定的策略自动增加本地元内存空间。如果你设置的元内存空间过小，你的应用程序可能得到以下错误：java.lang.OutOfMemoryError: Metadata space