一個優秀的Java程序員必須了解GC的工作原理、如何優化GC的性能、如何與GC進行有限的交互，因為有一些應用程序對性能要求較高，例如嵌入式系統、實時系統等，只有全面提升內存的管理效率 ，才能提高整個應用程序的性能。
一個優秀的Java程序員必須了解GC的工作原理、如何優化GC的性能、如何與GC進行有限的交互，因為有一些應用程序對性能要求較高，例如嵌入式系統、實時系統等，只有全面提升內存的管理效率 ，才能提高整個應用程序的性能。本篇文章首先簡單介紹GC的工作原理之後，然後再對GC的幾個關鍵問題進行深入探討，最後提出一些Java程序設計建議，從GC角度提高Java程序的性能。
GC的基本原理
Java的內存管理實際上就是對象的管理，其中包括對象的分配和釋放。
對於程序員來說，分配對象使用new關鍵字；釋放對象時，只要將對象所有引用賦值為null，讓程序不能夠再訪問到這個對象，我們稱該對象為\"不可達的\".GC將負責回收所有\"不可達\"對象的內存空間。
對於GC來說，當程序員創建對象時，GC就開始監控這個對象的地址、大小以及使用情況。通常，GC采用有向圖的方式記錄和管理堆（heap）中的所有對象（詳見 參考資料1 ）。通過這種方式確定哪些對象是\"可達的\"，哪些對象是\"不可達的\".當GC確定一些對象為\"不可達\"時，GC就有責任回收這些內存空間。但是，為了保證GC能夠在不同平臺實現的問題，Java規範對GC的很多行為都沒有進行嚴格的規定。例如，對於采用什麽類型的回收算法、什麽時候進行回收等重要問題都沒有明確的規定。因此，不同的JVM的實現者往往有不同的實現算法。這也給Java程序員的開發帶來行多不確定性。本文研究了幾個與GC工作相關的問題，努力減少這種不確定性給Java程序帶來的負面影響。
增量式GC（ Incremental GC ）
GC在JVM中通常是由一個或一組進程來實現的，它本身也和用戶程序一樣占用heap空間，運行時也占用CPU.當GC進程運行時，應用程序停止運行。因此，當GC運行時間較長時，用戶能夠感到 Java程序的停頓，另外一方面，如果GC運行時間太短，則可能對象回收率太低，這意味著還有很多應該回收的對象沒有被回收，仍然占用大量內存。因此，在設計GC的時候，就必須在停頓時間和回收率之間進行權衡。一個好的GC實現允許用戶定義自己所需要的設置，例如有些內存有限有設備，對內存的使用量非常敏感，希望GC能夠準確的回收內存，它並不在意程序速度的放慢。另外一些實時網絡遊戲，就不能夠允許程序有長時間的中斷。增量式GC就是通過一定的回收算法，把一個長時間的中斷，劃分為很多個小的中斷，通過這種方式減少GC對用戶程序的影響。雖然，增量式GC在整體性能上可能不如普通GC的效率高，但是它能夠減少程序的最長停頓時間。
Sun JDK提供的HotSpot JVM就能支持增量式GC.HotSpot JVM缺省GC方式為不使用增量GC，為了啟動增量GC，我們必須在運行Java程序時增加-Xincgc的參數。HotSpot JVM增量式GC的實現是采用Train GC算法。它的基本想法就是，將堆中的所有對象按照創建和使用情況進行分組（分層），將使用頻繁高和具有相關性的對象放在一隊中，隨著程序的運行，不斷對組進行調整。當GC運行時，它總是先回收最老的（最近很少訪問的）的對象，如果整組都為可回收對象，GC將整組回收。這樣，每次GC運行只回收一定比例的不可達對象，保證程序的順暢運行。
詳解finalize函數
finalize是位於Object類的一個方法，該方法的訪問修飾符為protected，由於所有類為Object的子類，因此用戶類很容易訪問到這個方法。由於，finalize函數沒有自動實現鏈式調用，我們必須手動的實現，因此finalize函數的最後一個語句通常是super.finalize（）。通過這種方式，我們可以實現從下到上實現finalize的調用，即先釋放自己的資源，然後再釋放父類的資源。
根據Java語言規範，JVM保證調用finalize函數之前，這個對象是不可達的，但是JVM不保證這個函數一定會被調用。另外，規範還保證finalize函數最多運行一次。
很多Java初學者會認為這個方法類似與C++中的析構函數，將很多對象、資源的釋放都放在這一函數裏面。其實，這不是一種很好的方式。原因有三，其一，GC為了能夠支持finalize函數，要對覆蓋這個函數的對象作很多附加的工作。其二，在finalize運行完成之後，該對象可能變成可達的，GC還要再檢查一次該對象是否是可達的。因此，使用 finalize會降低GC的運行性能。其三，由於GC調用finalize的時間是不確定的，因此通過這種方式釋放資源也是不確定的。
通常，finalize用於一些不容易控制、並且非常重要資源的釋放，例如一些I/O的操作，數據的連接。這些資源的釋放對整個應用程序是非常關鍵的。在這種情況下，程序員應該以通過程序本身管理（包括釋放）這些資源為主，以finalize函數釋放資源方式為輔，形成一種雙保險的管理機制，而不應該僅僅依靠finalize來釋放資源。
下面給出一個例子說明，finalize函數被調用以後，仍然可能是可達的，同時也可說明一個對象的finalize只可能運行一次。

 1 class MyObject{
 2 
 3 Test main; //記錄Test對象，在finalize中時用於恢復可達性
 4 
 5 public MyObject(Test t)
 6 
 7 {
 8 
 9 main=t; //保存Test 對象
10 
11 }
12 
13 protected void finalize()
14 
15 {
16 
17 main.ref=this;// 恢復本對象，讓本對象可達
18 
19 System.out.println(\"This is finalize\");//用於測試finalize只運行一次
20 
21 }
22 
23 }
24 
25 class Test {
26 
27 MyObject ref;
28 
29 public static void main(String[] args) {
30 
31 Test test=new Test();
32 
33 test.ref=new MyObject(test);
34 
35 test.ref=null; //MyObject對象為不可達對象，finalize將被調用
36 
37 System.gc();
38 
39 if (test.ref!=null) System.out.println(\"My Object還活著\");
40 
41 }
42 
43 }
44 
45 運行結果：
46 
47 This is finalize
48 
49 MyObject還活著
 

此例子中，需要註意的是雖然MyObject對象在finalize中變成可達對象，但是下次回收時候，finalize卻不再被調用，因為finalize函數最多只調用一次。
程序如何與GC進行交互
Java2增強了內存管理功能，增加了一個java.lang.ref包，其中定義了三種引用類。這三種引用類分別為SoftReference、WeakReference和 PhantomReference.通過使用這些引用類，程序員可以在一定程度與GC進行交互，以便改善GC的工作效率。這些引用類的引用強度介於可達對象和不可達對象之間。
創建一個引用對象也非常容易，例如如果你需要創建一個Soft Reference對象，那麽首先創建一個對象，並采用普通引用方式（可達對象）；然後再創建一個SoftReference引用該對象；最後將普通引用設置為null.通過這種方式，這個對象就只有一個Soft Reference引用。同時，我們稱這個對象為Soft Reference 對象。
Soft Reference的主要特點是據有較強的引用功能。只有當內存不夠的時候，才進行回收這類內存，因此在內存足夠的時候，它們通常不被回收。另外，這些引用對象還能保證在Java拋出OutOfMemory 異常之前，被設置為null.它可以用於實現一些常用圖片的緩存，實現Cache的功能，保證最大限度的使用內存而不引起OutOfMemory.以下給出這種引用類型的使用偽代碼；

 1 //申請一個圖像對象
 2 
 3 Image image=new Image();//創建Image對象
 4 
 5 …
 6 
 7 //使用 image
 8 
 9 …
10 
11 //使用完了image，將它設置為soft 引用類型，並且釋放強引用；
12 
13 SoftReference sr=new SoftReference(image);
14 
15 image=null;
16 
17 …
18 
19 //下次使用時
20 
21 if (sr!=null) image=sr.get();
22 
23 else{
24 
25 //由於GC由於低內存，已釋放image，因此需要重新裝載；
26 
27 image=new Image();
28 
29 sr=new SoftReference(image);
30 
31 }

Weak引用對象與Soft引用對象的最大不同就在於：GC在進行回收時，需要通過算法檢查是否回收Soft引用對象，而對於Weak引用對象，GC總是進行回收。Weak引用對象更容易、更快被 GC回收。雖然，GC在運行時一定回收Weak對象，但是復雜關系的Weak對象群常常需要好幾次GC的運行才能完成。Weak引用對象常常用於Map結構中，引用數據量較大的對象，一旦該對象的強引用為null時，GC能夠快速地回收該對象空間。
Phantom引用的用途較少，主要用於輔助 finalize函數的使用。Phantom對象指一些對象，它們執行完了finalize函數，並為不可達對象，但是它們還沒有被GC回收。這種對象可以輔助finalize進行一些後期的回收工作，我們通過覆蓋Reference的clear（）方法，增強資源回收機制的靈活性。
一些Java編碼的建議
根據GC的工作原理，我們可以通過一些技巧和方式，讓GC運行更加有效率，更加符合應用程序的要求。以下就是一些程序設計的幾點建議。
1.最基本的建議就是盡早釋放無用對象的引用。大多數程序員在使用臨時變量的時候，都是讓引用變量在退出活動域（scope）後，自動設置為null.我們在使用這種方式時候，必須特別註意一些復雜的對象圖，例如數組，隊列，樹，圖等，這些對象之間有相互引用關系較為復雜。對於這類對象，GC回收它們一般效率較低。如果程序允許，盡早將不用的引用對象賦為null.這樣可以加速GC的工作。
2.盡量少用finalize函數。finalize函數是Java提供給程序員一個釋放對象或資源的機會。但是，它會加大GC的工作量，因此盡量少采用finalize方式回收資源。
3.如果需要使用經常使用的圖片，可以使用soft應用類型。它可以盡可能將圖片保存在內存中，供程序調用，而不引起OutOfMemory.
4.註意集合數據類型，包括數組，樹，圖，鏈表等數據結構，這些數據結構對GC來說，回收更為復雜。另外，註意一些全局的變量，以及一些靜態變量。這些變量往往容易引起懸掛對象（dangling reference），造成內存浪費。
5.當程序有一定的等待時間，程序員可以手動執行System.gc（），通知GC運行，但是Java語言規範並不保證GC一定會執行。使用增量式GC可以縮短Java程序的暫停時間。

目錄

1. Java垃圾回收概況
2. Java內存區域
3. Java對象的訪問方式
4. Java內存分配機制
5. Java GC機制
6. 垃圾收集器

Java垃圾回收概況

　　Java GC（Garbage Collection，垃圾收集，垃圾回收）機制，是Java與C++/C的主要區別之一，作為Java開發者，一般不需要專門編寫內存回收和垃圾清理代 碼，對內存泄露和溢出的問題，也不需要像C程序員那樣戰戰兢兢。這是因為在Java虛擬機中，存在自動內存管理和垃圾清掃機制。概括地說，該機制對 JVM（Java Virtual Machine）中的內存進行標記，並確定哪些內存需要回收，根據一定的回收策略，自動的回收內存，永不停息（Nerver Stop）的保證JVM中的內存空間，放置出現內存泄露和溢出問題。

　　關於JVM，需要說明一下的是，目前使用最多的Sun公司的JDK中，自從 1999年的JDK1.2開始直至現在仍在廣泛使用的JDK6，其中默認的虛擬機都是HotSpot。2009年，Oracle收購Sun，加上之前收購 的EBA公司，Oracle擁有3大虛擬機中的兩個：JRockit和HotSpot，Oracle也表明了想要整合兩大虛擬機的意圖，但是目前在新發布 的JDK7中，默認的虛擬機仍然是HotSpot，因此本文中默認介紹的虛擬機都是HotSpot，相關機制也主要是指HotSpot的GC機制。

　　Java GC機制主要完成3件事：確定哪些內存需要回收，確定什麽時候需要執行GC，如何執行GC。經過這麽長時間的發展（事實上，在Java語言出現之前，就有 GC機制的存在，如Lisp語言），Java GC機制已經日臻完善，幾乎可以自動的為我們做絕大多數的事情。然而，如果我們從事較大型的應用軟件開發，曾經出現過內存優化的需求，就必定要研究 Java GC機制。

　　學習Java GC機制，可以幫助我們在日常工作中排查各種內存溢出或泄露問題，解決性能瓶頸，達到更高的並發量，寫出更高效的程序。

　　我們將從4個方面學習Java GC機制，1，內存是如何分配的；2，如何保證內存不被錯誤回收（即：哪些內存需要回收）；3，在什麽情況下執行GC以及執行GC的方式；4，如何監控和優化GC機制。

Java內存區域

　　了解Java GC機制，必須先清楚在JVM中內存區域的劃分。在Java運行時的數據區裏，由JVM管理的內存區域分為下圖幾個模塊：

其中：

1，程序計數器（Program Counter Register）：程序計數器是一個比較小的內存區域，用於指示當前線程所執行的字節碼執行到了第幾行，可以理解為是當前線程的行號指示器。字節碼解釋器在工作時，會通過改變這個計數器的值來取下一條語句指令。

　　每個程序計數器只用來記錄一個線程的行號，所以它是線程私有（一個線程就有一個程序計數器）的。

　　如果程序執行的是一個Java方法，則計數器記錄的是正在執行的虛擬機字節碼指令地址；如果正在執行的是一個本地（native，由C語言編寫 完成）方法，則計數器的值為Undefined，由於程序計數器只是記錄當前指令地址，所以不存在內存溢出的情況，因此，程序計數器也是所有JVM內存區 域中唯一一個沒有定義OutOfMemoryError的區域。

2，虛擬機棧（JVM Stack）：一個線程的每個方法在執行的同時，都會創建一個棧幀（Statck Frame），棧幀中存儲的有局部變量表、操作站、動態鏈接、方法出口等，當方法被調用時，棧幀在JVM棧中入棧，當方法執行完成時，棧幀出棧。

　　局部變量表中存儲著方法的相關局部變量，包括各種基本數據類型，對象的引用，返回地址等。在局部變量表中，只有long和double類型會占 用2個局部變量空間（Slot，對於32位機器，一個Slot就是32個bit），其它都是1個Slot。需要註意的是，局部變量表是在編譯時就已經確定 好的，方法運行所需要分配的空間在棧幀中是完全確定的，在方法的生命周期內都不會改變。

　　虛擬機棧中定義了兩種異常，如果線程調用的棧深度大於虛擬機允許的最大深度，則拋出StatckOverFlowError（棧溢出）；不過多 數Java虛擬機都允許動態擴展虛擬機棧的大小(有少部分是固定長度的)，所以線程可以一直申請棧，知道內存不足，此時，會拋出 OutOfMemoryError（內存溢出）。

　　每個線程對應著一個虛擬機棧，因此虛擬機棧也是線程私有的。

3，本地方法棧（Native Method Statck）：本地方法棧在作用，運行機制，異常類型等方面都與虛擬機棧相同，唯一的區別是：虛擬機棧是執行Java方法的，而本地方法棧是用來執行native方法的，在很多虛擬機中（如Sun的JDK默認的HotSpot虛擬機），會將本地方法棧與虛擬機棧放在一起使用。

　　本地方法棧也是線程私有的。

4，堆區（Heap）：堆區是理解Java GC機制最重要的區域，沒有之一。在JVM所管理的內存中，堆區是最大的一塊，堆區也是Java GC機制所管理的主要內存區域，堆區由所有線程共享，在虛擬機啟動時創建。堆區的存在是為了存儲對象實例，原則上講，所有的對象都在堆區上分配內存（不過現代技術裏，也不是這麽絕對的，也有棧上直接分配的）。

　　一般的，根據Java虛擬機規範規定，堆內存需要在邏輯上是連續的（在物理上不需要），在實現時，可以是固定大小的，也可以是可擴展的，目前主 流的虛擬機都是可擴展的。如果在執行垃圾回收之後，仍沒有足夠的內存分配，也不能再擴展，將會拋出OutOfMemoryError:Java heap space異常。

　　關於堆區的內容還有很多，將在下節“Java內存分配機制”中詳細介紹。

5，方法區（Method Area）：在Java虛擬機規範中，將方法區作為堆的一個邏輯部分來對待，但事實 上，方法區並不是堆（Non-Heap）；另外，不少人的博客中，將Java GC的分代收集機制分為3個代：青年代，老年代，永久代，這些作者將方法區定義為“永久代”，這是因為，對於之前的HotSpot Java虛擬機的實現方式中，將分代收集的思想擴展到了方法區，並將方法區設計成了永久代。不過，除HotSpot之外的多數虛擬機，並不將方法區當做永 久代，HotSpot本身，也計劃取消永久代。本文中，由於筆者主要使用Oracle JDK6.0，因此仍將使用永久代一詞。

　　方法區是各個線程共享的區域，用於存儲已經被虛擬機加載的類信息（即加載類時需要加載的信息，包括版本、field、方法、接口等信息）、final常量、靜態變量、編譯器即時編譯的代碼等。

　　方法區在物理上也不需要是連續的，可以選擇固定大小或可擴展大小，並且方法區比堆還多了一個限制：可以選擇是否執行垃圾收集。一般的，方法區上 執行的垃圾收集是很少的，這也是方法區被稱為永久代的原因之一（HotSpot），但這也不代表著在方法區上完全沒有垃圾收集，其上的垃圾收集主要是針對 常量池的內存回收和對已加載類的卸載。

　　在方法區上進行垃圾收集，條件苛刻而且相當困難，效果也不令人滿意，所以一般不做太多考慮，可以留作以後進一步深入研究時使用。

　　在方法區上定義了OutOfMemoryError:PermGen space異常，在內存不足時拋出。

　　運行時常量池（Runtime Constant Pool）是方法區的一部分，用於存儲編譯期就生成的字面常量、符號引用、翻譯出來的直接引用（符號引用就是編碼是用字符串表示某個變量、接口的位置，直接引用就是根據符號引用翻譯出來的地址，將在類鏈接階段完成翻譯）；運行時常量池除了存儲編譯期常量外，也可以存儲在運行時間產生的常量（比如String類的intern()方法，作用是String維護了一個常量池，如果調用的字符“abc”已經在常量池中，則返回池中的字符串地址，否則，新建一個常量加入池中，並返回地址）。

6，直接內存（Direct Memory）：直接內存並不是JVM管理的內存，可以這樣理解，直接內存，就是 JVM以外的機器內存，比如，你有4G的內存，JVM占用了1G，則其余的3G就是直接內存，JDK中有一種基於通道（Channel）和緩沖區 （Buffer）的內存分配方式，將由C語言實現的native函數庫分配在直接內存中，用存儲在JVM堆中的DirectByteBuffer來引用。 由於直接內存收到本機器內存的限制，所以也可能出現OutOfMemoryError的異常。

Java對象的訪問方式

一般來說，一個Java的引用訪問涉及到3個內存區域：JVM棧，堆，方法區。

　　以最簡單的本地變量引用：Object obj = new Object()為例：

• Object obj表示一個本地引用，存儲在JVM棧的本地變量表中，表示一個reference類型數據；
• new Object()作為實例對象數據存儲在堆中；
• 堆中還記錄了Object類的類型信息（接口、方法、field、對象類型等）的地址，這些地址所執行的數據存儲在方法區中；

在Java虛擬機規範中，對於通過reference類型引用訪問具體對象的方式並未做規定，目前主流的實現方式主要有兩種：

1，通過句柄訪問（圖來自於《深入理解Java虛擬機：JVM高級特效與最佳實現》）：

通過句柄訪問的實現方式中，JVM堆中會專門有一塊區域用來作為句柄池，存儲相關句柄所執行的實例數據地址（包括在堆中地址和在方法區中的地址）。這種實現方法由於用句柄表示地址，因此十分穩定。

2，通過直接指針訪問：（圖來自於《深入理解Java虛擬機：JVM高級特效與最佳實現》）

通過直接指針訪問的方式中，reference中存儲的就是對象在堆中的實際地址，在堆中存儲的對象信息中包含了在方法區中的相應類型數據。這種方法最大的優勢是速度快，在HotSpot虛擬機中用的就是這種方式。

Java內存分配機制

這裏所說的內存分配，主要指的是在堆上的分配，一般的，對象的內存分配都是在堆上進行，但現代技術也支持將對象拆成標量類型（標量類型即原子類型，表示單個值，可以是基本類型或String等），然後在棧上分配，在棧上分配的很少見，我們這裏不考慮。

　　Java內存分配和回收的機制概括的說，就是：分代分配，分代回收。對象將根據存活的時間被分為：年輕代（Young Generation）、年老代（Old Generation）、永久代（Permanent Generation，也就是方法區）。如下圖（來源於《成為JavaGC專家part I》，http://www.importnew.com/1993.html）：

　　年輕代（Young Generation）：對象被創建時，內存的分配首先發生在年輕代（大對象可以直接 被創建在年老代），大部分的對象在創建後很快就不再使用，因此很快變得不可達，於是被年輕代的GC機制清理掉（IBM的研究表明，98%的對象都是很快消 亡的），這個GC機制被稱為Minor GC或叫Young GC。註意，Minor GC並不代表年輕代內存不足，它事實上只表示在Eden區上的GC。

　　年輕代上的內存分配是這樣的，年輕代可以分為3個區域：Eden區（伊甸園，亞當和夏娃偷吃禁果生娃娃的地方，用來表示內存首次分配的區域，再 貼切不過）和兩個存活區（Survivor 0 、Survivor 1）。內存分配過程為（來源於《成為JavaGC專家part I》，http://www.importnew.com/1993.html）：

1. 絕大多數剛創建的對象會被分配在Eden區，其中的大多數對象很快就會消亡。Eden區是連續的內存空間，因此在其上分配內存極快；
2. 當Eden區滿的時候，執行Minor GC，將消亡的對象清理掉，並將剩余的對象復制到一個存活區Survivor0（此時，Survivor1是空白的，兩個Survivor總有一個是空白的）；
3. 此後，每次Eden區滿了，就執行一次Minor GC，並將剩余的對象都添加到Survivor0；
4. 當Survivor0也滿的時候，將其中仍然活著的對象直接復制到Survivor1，以後Eden區執行Minor GC後，就將剩余的對象添加Survivor1（此時，Survivor0是空白的）。
5. 當兩個存活區切換了幾次（HotSpot虛擬機默認15次，用-XX:MaxTenuringThreshold控制，大於該值進入老年代）之後，仍然存活的對象（其實只有一小部分，比如，我們自己定義的對象），將被復制到老年代。

　　從上面的過程可以看出，Eden區是連續的空間，且Survivor總有一個為空。經過一次GC和復制，一個Survivor中保存著當前還活 著的對象，而Eden區和另一個Survivor區的內容都不再需要了，可以直接清空，到下一次GC時，兩個Survivor的角色再互換。因此，這種方 式分配內存和清理內存的效率都極高，這種垃圾回收的方式就是著名的“停止-復制（Stop-and-copy）”清理法（將Eden區和一個Survivor中仍然存活的對象拷貝到另一個Survivor中），這不代表著停止復制清理法很高效，其實，它也只在這種情況下高效，如果在老年代采用停止復制，則挺悲劇的。

　　在Eden區，HotSpot虛擬機使用了兩種技術來加快內存分配。分別是bump-the-pointer和TLAB（Thread- Local Allocation Buffers），這兩種技術的做法分別是：由於Eden區是連續的，因此bump-the-pointer技術的核心就是跟蹤最後創建的一個對象，在對 象創建時，只需要檢查最後一個對象後面是否有足夠的內存即可，從而大大加快內存分配速度；而對於TLAB技術是對於多線程而言的，將Eden區分為若幹 段，每個線程使用獨立的一段，避免相互影響。TLAB結合bump-the-pointer技術，將保證每個線程都使用Eden區的一段，並快速的分配內 存。

　　年老代（Old Generation）：對象如果在年輕代存活了足夠長的時間而沒有被清理掉（即在幾次 Young GC後存活了下來），則會被復制到年老代，年老代的空間一般比年輕代大，能存放更多的對象，在年老代上發生的GC次數也比年輕代少。當年老代內存不足時， 將執行Major GC，也叫 Full GC。　　

　　如果對象比較大（比如長字符串或大數組），Young空間不足，則大對象會直接分配到老年代上（大對象可能觸發提前GC，應少用，更應避免使用短命的大對象）。用-XX:PretenureSizeThreshold來控制直接升入老年代的對象大小，大於這個值的對象會直接分配在老年代上。

　　可能存在年老代對象引用新生代對象的情況，如果需要執行Young GC，則可能需要查詢整個老年代以確定是否可以清理回收，這顯然是低效的。解決的方法是，年老代中維護一個512 byte的塊——”card table“，所有老年代對象引用新生代對象的記錄都記錄在這裏。Young GC時，只要查這裏即可，不用再去查全部老年代，因此性能大大提高。

Java GC機制

GC機制的基本算法是：分代收集，這個不用贅述。下面闡述每個分代的收集方法。

　　年輕代：

　　事實上，在上一節，已經介紹了新生代的主要垃圾回收方法，在新生代中，使用“停止-復制”算法進行清理，將新生代內存分為2部分，1部分 Eden區較大，1部分Survivor比較小，並被劃分為兩個等量的部分。每次進行清理時，將Eden區和一個Survivor中仍然存活的對象拷貝到 另一個Survivor中，然後清理掉Eden和剛才的Survivor。

　　這裏也可以發現，停止復制算法中，用來復制的兩部分並不總是相等的（傳統的停止復制算法兩部分內存相等，但新生代中使用1個大的Eden區和2個小的Survivor區來避免這個問題）

　　由於絕大部分的對象都是短命的，甚至存活不到Survivor中，所以，Eden區與Survivor的比例較大，HotSpot默認是 8:1，即分別占新生代的80%，10%，10%。如果一次回收中，Survivor+Eden中存活下來的內存超過了10%，則需要將一部分對象分配到 老年代。用-XX:SurvivorRatio參數來配置Eden區域Survivor區的容量比值，默認是8，代表Eden：Survivor1：Survivor2=8:1:1.

　　老年代：

　　方法區（永久代）：

　　永久代的回收有兩種：常量池中的常量，無用的類信息，常量的回收很簡單，沒有引用了就可以被回收。對於無用的類進行回收，必須保證3點：

1. 類的所有實例都已經被回收
2. 加載類的ClassLoader已經被回收
3. 類對象的Class對象沒有被引用（即沒有通過反射引用該類的地方）

垃圾收集器

在GC機制中，起重要作用的是垃圾收集器，垃圾收集器是GC的具體實現，Java虛擬機規範中對於垃圾收集器沒有任何規定，所以不同廠商實現的垃圾 收集器各不相同，HotSpot 1.6版使用的垃圾收集器如下圖（圖來源於《深入理解Java虛擬機：JVM高級特效與最佳實現》，圖中兩個收集器之間有連線，說明它們可以配合使用）：

在介紹垃圾收集器之前，需要明確一點，就是在新生代采用的停止復制算法中，“停 止（Stop-the-world）”的意義是在回收內存時，需要暫停其他所 有線程的執行。這個是很低效的，現在的各種新生代收集器越來越優化這一點，但仍然只是將停止的時間變短，並未徹底取消停止。

• Serial收集器：新生代收集器，使用停止復制算法，使用一個線程進行GC，其它工作線程暫停。使用-XX:+UseSerialGC可以使用Serial+Serial Old模式運行進行內存回收（這也是虛擬機在Client模式下運行的默認值）
• ParNew收集器：新生代收集器，使用停止復制算法，Serial收集器的多線程版，用多個線程進行GC，其它工作線程暫停，關註縮短垃圾收集時間。使用-XX:+UseParNewGC開關來控制使用ParNew+Serial Old收集器組合收集內存；使用-XX:ParallelGCThreads來設置執行內存回收的線程數。
• Parallel Scavenge 收集器：新生代收集器，使用停止復制算法，關註CPU吞吐量，即運行用戶代碼的時間/總時間，比如：JVM運行100分鐘，其中運行用戶代碼99分鐘，垃 圾收集1分鐘，則吞吐量是99%，這種收集器能最高效率的利用CPU，適合運行後臺運算（關註縮短垃圾收集時間的收集器，如CMS，等待時間很少，所以適 合用戶交互，提高用戶體驗）。使用-XX:+UseParallelGC開關控制使用 Parallel Scavenge+Serial Old收集器組合回收垃圾（這也是在Server模式下的默認值）；使用-XX:GCTimeRatio來設置用戶執行時間占總時間的比例，默認99，即 1%的時間用來進行垃圾回收。使用-XX:MaxGCPauseMillis設置GC的最大停頓時間（這個參數只對Parallel Scavenge有效）

• Serial Old收集器：老年代收集器，單線程收集器，使用標記整理（整理的方法是Sweep（清理）和Compact（壓縮），清理是將廢棄的對象幹掉，只留幸存 的對象，壓縮是將移動對象，將空間填滿保證內存分為2塊，一塊全是對象，一塊空閑）算法，使用單線程進行GC，其它工作線程暫停（註意，在老年代中進行標 記整理算法清理，也需要暫停其它線程），在JDK1.5之前，Serial Old收集器與ParallelScavenge搭配使用。
• Parallel Old收集器：老年代收集器，多線程，多線程機制與Parallel Scavenge差不錯，使用標記整理（與Serial Old不同，這裏的整理是Summary（匯總）和Compact（壓縮），匯總的意思就是將幸存的對象復制到預先準備好的區域，而不是像Sweep（清 理）那樣清理廢棄的對象）算法，在Parallel Old執行時，仍然需要暫停其它線程。Parallel Old在多核計算中很有用。Parallel Old出現後（JDK 1.6），與Parallel Scavenge配合有很好的效果，充分體現Parallel Scavenge收集器吞吐量優先的效果。使用-XX:+UseParallelOldGC開關控制使用Parallel Scavenge +Parallel Old組合收集器進行收集。
• CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器：老年代收集器，致力於獲取最短回收停頓時間，使用標記清除算法，多線程，優點是並發收集（用戶線程可以和GC線程同時工作），停頓小。使用-XX:+UseConcMarkSweepGC進行ParNew+CMS+Serial Old進行內存回收，優先使用ParNew+CMS（原因見後面），當用戶線程內存不足時，采用備用方案Serial Old收集。

CMS收集的方法是：先3次標記，再1次清除，3次標記中前兩次是初始標記和重新標記（此時仍然需要停止（stop the world））， 初始標記（Initial Remark）是標記GC Roots能關聯到的對象（即有引用的對象），停頓時間很短；並發標記（Concurrent remark）是執行GC Roots查找引用的過程，不需要用戶線程停頓；重新標記（Remark）是在初始標記和並發標記期間，有標記變動的那部分仍需要標記，所以加上這一部分 標記的過程，停頓時間比並發標記小得多，但比初始標記稍長。在完成標記之後，就開始並發清除，不需要用戶線程停頓。 所以在CMS清理過程中，只有初始標記和重新標記需要短暫停頓，並發標記和並發清除都不需要暫停用戶線程，因此效率很高，很適合高交互的場合。 CMS也有缺點，它需要消耗額外的CPU和內存資源，在CPU和內存資源緊張，CPU較少時，會加重系統負擔（CMS默認啟動線程數為(CPU數量+3)/4）。 另外，在並發收集過程中，用戶線程仍然在運行，仍然產生內存垃圾，所以可能產生“浮動垃圾”，本次無法清理，只能下一次Full GC才清理，因此在GC期間，需要預留足夠的內存給用戶線程使用。所以使用CMS的收集器並不是老年代滿了才觸發Full GC，而是在使用了一大半（默認68%，即2/3，使用-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction來設置）的時候就要進行Full GC，如果用戶線程消耗內存不是特別大，可以適當調高-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction以降低GC次數，提高性能，如果預留的用戶線程內存不夠，則會觸發Concurrent Mode Failure，此時，將觸發備用方案：使用Serial Old 收集器進行收集，但這樣停頓時間就長了，因此-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction不宜設的過大。 還有，CMS采用的是標記清除算法，會導致內存碎片的產生，可以使用-XX：+UseCMSCompactAtFullCollection來設置是否在Full GC之後進行碎片整理，用-XX：CMSFullGCsBeforeCompaction來設置在執行多少次不壓縮的Full GC之後，來一次帶壓縮的Full GC。

• G1收集器：在JDK1.7中正式發布，與現狀的新生代、老年代概念有很大不同，目前使用較少，不做介紹。

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