深入理解JVM垃圾回收機制

1、垃圾回收需要解決的問題及解決的辦法總覽

• 1、如何判定物件為垃圾物件
  • 引用計數法
  • 可達性分析法
• 2、如何回收
  • 回收策略
    • 標記-清除演算法
    • 複製演算法
    • 標記-整理演算法
    • 分帶收集演算法
  • 垃圾回收器
    • serial
    • parnew
    • Cms
    • G1
• 3、何時回收

下面就是如何判定物件為垃圾物件
***

2、引用計數法

在物件中新增一個引用計數器，當有地方引用這個物件的時候，引用技術器得值就+1，當引用失效的時候，計數器得值就-1
演算法缺點:當某個引用被收集時，下個引用並不會清0，因此不被回收造成記憶體洩露。

下面我們執行例項程式碼來看，JVM在迴圈引用時，是否能被收集(如果回收了就說明垃圾回收器用的不是引用計數法)。

如果想列印日誌資訊，請填入如下引數。

-verbose:gc -XX:+PrintGCDetails 

其中我們需要將每個物件的所佔記憶體擴大，因此我們宣告一個大點的空間。

測試實驗程式碼如下：

public class A {
    private Object instance;
    public A() {
        byte[] m = new byte[20*1024*1024];
    }
    public static void main(String[] args) {
        A a1 = new A();
        A a2 = new A();
        a1.instance=a2;
        a2.instance=a1;
        
        a1=null;
        a2=null;
        System.gc();
        //parallel 預設採用的垃圾回收器
    }
}
 

執行結果如下所示:

[GC (System.gc()) [PSYoungGen: 22446K->648K(37888K)] 42926K->21136K(123904K), 0.0011193 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
[Full GC (System.gc()) [PSYoungGen: 648K->0K(37888K)] [ParOldGen: 20488K->519K(86016K)] 21136K->519K(123904K), [Metaspace: 2632K->2632K(1056768K)], 0.0074751 secs] [Times: user=0.02 sys=0.00, real=0.01 secs]

Heap
PSYoungGen total 37888K, used 328K [0x00000000d6000000, 0x00000000d8a00000, 0x0000000100000000)
eden space 32768K, 1% used [0x00000000d6000000,0x00000000d6052030,0x00000000d8000000)
from space 5120K, 0% used [0x00000000d8000000,0x00000000d8000000,0x00000000d8500000)
to space 5120K, 0% used [0x00000000d8500000,0x00000000d8500000,0x00000000d8a00000)
ParOldGen total 86016K, used 519K [0x0000000082000000, 0x0000000087400000, 0x00000000d6000000)
object space 86016K, 0% used [0x0000000082000000,0x0000000082081fd8,0x0000000087400000)
Metaspace used 2638K, capacity 4486K, committed 4864K, reserved 1056768K
class space used 281K, capacity 386K, committed 512K, reserved 1048576K

這裡我們會看到 22446K->648J這裡，我們的物件被回收了，這就說明我們JVM採用的垃圾回收演算法並不是引用計數法。

3、可達性分析法

演算法如名，可達性分析法就是從GCroot結點開始，看能否找到物件。

GCroot結點開始向下搜尋，路徑稱為引用鏈，當物件沒有任何一條引用鏈連結的時候，就認為這個物件是垃圾，並進行回收。

那麼什麼是GCroot呢(虛擬機器在哪查詢GCroot)。

• 虛擬機器棧(區域性變量表)
• 方法區的類屬性所引用的物件。
• 方法區中常量所引用的物件。
• 本地方法棧中引用的物件。

目前主流JVM採用的垃圾判定演算法就是可達性分析法。

至此垃圾判定演算法結束

垃圾回收演算法開始

4、標記-清除演算法

存在的問題:

• 效率問題。
• 記憶體小塊過多。
  如圖所示：黃色的就是被標記清除的。清除後會發現有很多多餘的小塊。

5、複製演算法

下面是java記憶體常規劃分

• (執行緒共有)堆記憶體 方法區
• (棧記憶體 本地方法棧) 程式計數器

下面是堆記憶體的劃分

• 新生代
  • Eden 伊甸園
  • Survivor 存活區
  • Tenured Gen 養老區
• 老年代

下面就是過程：

被標記的黑色就是需要回收的

將白色區域複製下面，然後清空上面的

這樣就完成了記憶體的連續分配，但是引來一個問題。
每次只能使用一半的記憶體。是不是有點少。。

為了解決這個問題，我們對記憶體就進行了劃分。
我們對記憶體分為了三塊區域。

複製演算法，我們需要將上面的思路，將Eden中需要回收的物件放到Survivor，然後清除。
也就是倆個Survivor中進行復制與清除。

這裡我們即提高了效率，又減少了記憶體分配。

如果Survivor不夠放，那就扔到老年代裡，或者其他方法，反正有記憶體擔保。

6、標記-整理演算法

複製演算法主要針對新生代記憶體收集方法。
標記-整理演算法主要針對的是老年代記憶體收集方法。

主要步驟：標記-整理-清除

如下圖所示

然後將右面的進行刪除計科達到回收效果。

7、分代收集演算法

分代收集演算法是根據記憶體的分代選擇不同的演算法。
對於新生代，一般選擇複製演算法。
對於老年代，一般選擇標記-整理-清除演算法。

顯而易見，這是上面倆種演算法的優點糅合在一起的應用。

至此我們總結了所有垃圾回收演算法。
下面就是各種出名的垃圾收集器

8、Serial收集器

特點：

• 出現的最早的，發展最悠久的垃圾收集器。
• 單執行緒垃圾收集器。
• 主要針對新生代記憶體進行收集

執行機制如下所示

缺點：慢

用處：在客戶端上執行還是比較有效。沒有執行緒的開銷，所以在客戶端還是比較好用的。

9、ParNew收集器

特點：

• 由單執行緒變成了多執行緒垃圾收集器。
• 如果要用CMS進行收集的話，最好採用ParNew收集器。

實現原理都是複製演算法。

缺點：

• 效能較慢

10、Parallel Scavenge 收集器

主用演算法：複製演算法(新生代收集器)

吞吐量 = （執行使用者程式碼消耗的時間）/（執行使用者程式碼的時間）+ 垃圾回收時所佔用的時間

優點：吞吐量優化（CPU用於執行使用者程式碼的時間與CPU消耗的總時間的比值）

關於控制吞吐量的引數如下

-XX:MaxGCPauseMills #垃圾收集器的停頓時間
-XX:GCTimeRatio #吞吐量大小

當停頓時間過小時，記憶體對應變小，回收的頻率增大。因此第一個引數需要設定的合理才比較好。
第二個引數值越大，吞吐量越大，預設是99，（垃圾回收時間最多隻能佔到1%）

總的來說：客戶端可用，服務端最好不用。

11、CMS收集器（Concurrent Mark Sweep）

採用演算法:標記清除演算法。

• 工作過程：
  • 初始標記
  • 併發標記
  • 重新標記
  • 併發清理
• 優點：
  • 併發收集
  • 低停頓
• 缺點：
  • 佔用大量的CPU資源
  • 無法處理浮動垃圾
  • 出現ConcurrentMode Failure
  • 空間碎片

CMS是一個併發的收集器。

目標是：減少延遲，增加響應速度
執行效果如下所示：

• 初始標記
  • 可達性分析法
• 重新標記
  • 為了修正併發期間，因物件重新運作而修正
• 併發清理
  • 直接清除了

12、G1收集器（面向服務端）

最牛的垃圾收集器。

• 歷史
  -2004年Sun發表了第一篇G1的論文，到2006年左右，在JDK6內整合進去了。JDK7才放出來。
• 優勢
  • 集中了前面所有收集器的優點
  • G1能充分利用了多核的並行特點，能縮短停頓時間。
  • 分代收集（分成各種Region）
  • 空間整合（類似於標記清理演算法）
  • 可預測的停頓（）。
• 步驟
  • 初始標記
  • 併發標記
  • 最終標記
  • 篩選回收

13、小結：

至此我們就已經掌握了大部分GC的知識。這可不是一個小工程，希望要好好吸收知識。