JVM垃圾回收

Java堆中存放著大量的Java對(duì)象實(shí)例，在垃圾收集器回收內(nèi)存前，第一件事情就是確定哪些對(duì)象是“活著的”，哪些是可以回收的。

引用計(jì)數(shù)算法

引用計(jì)數(shù)算法是判斷對(duì)象是否存活的基本算法：給每個(gè)對(duì)象添加一個(gè)引用計(jì)數(shù)器，沒當(dāng)一個(gè)地方引用它的時(shí)候，計(jì)數(shù)器值加1；當(dāng)引用失效后，計(jì)數(shù)器值減1。但是這種方法有一個(gè)致命的缺陷，當(dāng)兩個(gè)對(duì)象相互引用時(shí)會(huì)導(dǎo)致這兩個(gè)都無法被回收。

根搜索算法

在主流的商用語言中（Java、C#...）都是使用根搜索算法來判斷對(duì)象是否存活。對(duì)于程序來說，根對(duì)象總是可以訪問的。從這些根對(duì)象開始，任何可以被觸及的對(duì)象都被認(rèn)為是"活著的"的對(duì)象。無法觸及的對(duì)象被認(rèn)為是垃圾，需要被回收。

Java虛擬機(jī)的根對(duì)象集合根據(jù)實(shí)現(xiàn)不同而不同，但是總會(huì)包含以下幾個(gè)方面：

• 虛擬機(jī)棧（棧幀中的本地變量表）中引用的對(duì)象。
• 方法區(qū)中的類靜態(tài)屬性引用的變量。
• 方法區(qū)中的常量引用的變量。
• 本地方法JNI的引用對(duì)象。

區(qū)分活動(dòng)對(duì)象和垃圾的兩個(gè)基本方法是引用計(jì)數(shù)和根搜索。 引用計(jì)數(shù)是通過為堆中每個(gè)對(duì)象保存一個(gè)計(jì)數(shù)來區(qū)分活動(dòng)對(duì)象和垃圾。根搜索算法實(shí)際上是追蹤從根結(jié)點(diǎn)開始的引用圖。

引用對(duì)象

引用對(duì)象封裝了指向其他對(duì)象的連接：被指向的對(duì)象稱為引用目標(biāo)。Reference有三個(gè)直接子類SoftReference、WeakReference、PhantomReference分別代表：軟引用、弱引用、虛引用。強(qiáng)引用在Java中是普遍存在的，類似Object o = new Object();這類引用就是強(qiáng)引用，強(qiáng)引用和以上引用的區(qū)別在于：強(qiáng)引用禁止引用目標(biāo)被垃圾收集器收集，而其他引用不禁止。

當(dāng)使用軟引用、弱引用、虛引用時(shí)，并且對(duì)可觸及性狀態(tài)的改變有興趣，可以把引用對(duì)象和引用隊(duì)列關(guān)聯(lián)起來。

對(duì)象有六種可觸及狀態(tài)變化：

• 強(qiáng)可觸及：對(duì)象可以從根節(jié)點(diǎn)不通過任何引用對(duì)象搜索到。垃圾收集器不會(huì)回收這個(gè)對(duì)象的內(nèi)存空間。

• 軟可觸及：對(duì)象可以從根節(jié)點(diǎn)通過一個(gè)或多個(gè)(未被清除的)軟引用對(duì)象觸及，垃圾收集器在要發(fā)生內(nèi)存溢出前將這些對(duì)象列入回收范圍中進(jìn)行回收，如果該軟引用對(duì)象和引用隊(duì)列相關(guān)聯(lián)，它會(huì)把該軟引用對(duì)象加入隊(duì)列。

SoftReference可以用來創(chuàng)建內(nèi)存中緩存，JVM的實(shí)現(xiàn)需要在拋出OutOfMemoryError之前清除軟引用，但在其他的情況下可以選擇清理的時(shí)間或者是否清除它們。

• 弱可觸及：對(duì)象可以從根節(jié)點(diǎn)開始通過一個(gè)或多個(gè)(未被清除的)弱引用對(duì)象觸及，垃圾收集器在一次GC的時(shí)候會(huì)回收所有的弱引用對(duì)象，如果該弱引用對(duì)象和引用隊(duì)列相關(guān)聯(lián)，它會(huì)把該弱引用對(duì)象加入隊(duì)列。

• 可復(fù)活的：對(duì)象既不是強(qiáng)可觸及、軟可觸及、也不是弱可觸及，但仍然可能通過執(zhí)行某些終結(jié)方法復(fù)活到這幾個(gè)狀態(tài)之一。

Java類可以通過重寫finalize方法復(fù)活準(zhǔn)備回收的對(duì)象，但finalize方法只是在對(duì)象第一次回收時(shí)會(huì)調(diào)用。

• 虛可觸及：垃圾收集器不會(huì)清除一個(gè)虛引用，所有的虛引用都必須由程序明確的清除。 同時(shí)也不能通過虛引用來取得一個(gè)對(duì)象的實(shí)例。

• 不可觸及：不可觸及對(duì)象已經(jīng)準(zhǔn)備好回收了。

若一個(gè)對(duì)象的引用類型有多個(gè)，那到底如何判斷它的可達(dá)性呢？其實(shí)規(guī)則如下：

1. 單條引用鏈的可達(dá)性以最弱的一個(gè)引用類型來決定；
2. 多條引用鏈的可達(dá)性以最強(qiáng)的一個(gè)引用類型來決定；

垃圾回收算法

標(biāo)記--清除算法

首先標(biāo)記出所有需要回收的對(duì)象，在標(biāo)記完成后統(tǒng)一回收所有被標(biāo)記的對(duì)象，標(biāo)記的方法使用根搜索算法。主要有兩個(gè)缺點(diǎn)：

• 效率問題，標(biāo)記和清除的效率都不高。

• 空間問題，標(biāo)記清除后會(huì)產(chǎn)生大量不連續(xù)的內(nèi)存碎片。

復(fù)制回收算法

將可用內(nèi)存分為大小相等的兩份，在同一時(shí)刻只使用其中的一份。當(dāng)這一份內(nèi)存使用完了，就將還存活的對(duì)象復(fù)制到另一份上，然后將這一份上的內(nèi)存清空。復(fù)制算法能有效避免內(nèi)存碎片，但是算法需要將內(nèi)存一分為二，導(dǎo)致內(nèi)存使用率大大降低。

標(biāo)記--整理算法

復(fù)制算法在對(duì)象存活率較高的情況下會(huì)復(fù)制很多的對(duì)象，效率會(huì)很低。標(biāo)記--整理算法就解決了這樣的問題，標(biāo)記過程和標(biāo)記--清除算法一樣，但后續(xù)是將所有存活的對(duì)象都移動(dòng)到內(nèi)存的一端，然后清理掉端外界的對(duì)象。

分代回收算法

在JVM中不同的對(duì)象擁有不同的生命周期，因此對(duì)于不同生命周期的對(duì)象也可以采用不同的垃圾回收方法，以提高效率，這就是分代回收算法的核心思想。

在不進(jìn)行對(duì)象存活時(shí)間區(qū)分的情況下，每次垃圾回收都是對(duì)整個(gè)堆空間進(jìn)行回收，花費(fèi)的時(shí)間相對(duì)會(huì)長(zhǎng)。同時(shí)，因?yàn)槊看位厥斩夹枰闅v所有存活對(duì)象，但實(shí)際上，對(duì)于生命周期長(zhǎng)的對(duì)象而言，這種遍歷是沒有效果的，因?yàn)榭赡苓M(jìn)行了很多次遍歷，但是他們依舊存在。因此，分代垃圾回收采用分治的思想，進(jìn)行代的劃分，把不同生命周期的對(duì)象放在不同代上，不同代上采用最適合它的垃圾回收方式進(jìn)行回收。

JVM中的共劃分為三個(gè)代：新生代（Young Generation）、老年代（Old Generation）和持久代（Permanent Generation）。其中持久代主要存放的是Java類的類信息，與垃圾收集要收集的Java對(duì)象關(guān)系不大。

jvm-gc-1.gif

• 新生代：所有新生成的對(duì)象首先都是放在新生代的，新生代采用復(fù)制回收算法。新生代的目標(biāo)就是盡可能快速的收集掉那些生命周期短的對(duì)象。新生代分三個(gè)區(qū)。一個(gè)Eden區(qū)，兩個(gè)Survivor區(qū)(一般而言)。大部分對(duì)象在Eden區(qū)中生成。當(dāng)Eden區(qū)滿時(shí)，還存活的對(duì)象將被復(fù)制到Survivor區(qū)（兩個(gè)中的一個(gè)），當(dāng)這個(gè)Survivor區(qū)滿時(shí)，此區(qū)的存活對(duì)象將被復(fù)制到另外一個(gè)Survivor區(qū)，當(dāng)這個(gè)Survivor去也滿了的時(shí)候，從第一個(gè)Survivor區(qū)復(fù)制過來的并且此時(shí)還存活的對(duì)象，將被復(fù)制“年老區(qū)(Tenured)”。需要注意，Survivor的兩個(gè)區(qū)是對(duì)稱的，沒先后關(guān)系，所以同一個(gè)區(qū)中可能同時(shí)存在從Eden復(fù)制過來 對(duì)象，和從前一個(gè)Survivor復(fù)制過來的對(duì)象，而復(fù)制到年老區(qū)的只有從第一個(gè)Survivor去過來的對(duì)象。而且，Survivor區(qū)總有一個(gè)是空的。

在HotSpot虛擬機(jī)內(nèi)部默認(rèn)Eden和Survivor的大小比例是8:1， 也就是每次新生代中可用內(nèi)存為整個(gè)新生代的90%，這大大提高了復(fù)制回收算法的效率。

• 老年代：在新生代中經(jīng)歷了N次垃圾回收后仍然存活的對(duì)象，就會(huì)被放到老年代中，老年代采用標(biāo)記整理回收算法。因此，可以認(rèn)為老年代中存放的都是一些生命周期較長(zhǎng)的對(duì)象。

• 持久代：用于存放靜態(tài)文件，如final常量，static常量，常量池等。持久代對(duì)垃圾回收沒有顯著影響，但是有些應(yīng)用可能動(dòng)態(tài)生成或者調(diào)用一些class，例如Hibernate等，在這種時(shí)候需要設(shè)置一個(gè)比較大的持久代空間來存放這些運(yùn)行過程中新增的類。

垃圾回收觸發(fā)條件

由于對(duì)象進(jìn)行了分代處理，因此垃圾回收區(qū)域、時(shí)間也不一樣。GC有兩種類型：Scavenge GC和Full GC。對(duì)于一個(gè)擁有終結(jié)方法的對(duì)象，在垃圾收集器釋放對(duì)象前必須執(zhí)行終結(jié)方法。但是當(dāng)垃圾收集器第二次收集這個(gè)對(duì)象時(shí)便不會(huì)再次調(diào)用終結(jié)方法。

Scavenge GC

一般情況下，當(dāng)新對(duì)象生成，并且在Eden申請(qǐng)空間失敗時(shí)，就會(huì)觸發(fā)Scavenge GC，對(duì)Eden區(qū)域進(jìn)行GC，清除非存活對(duì)象，并且把尚且存活的對(duì)象移動(dòng)到Survivor區(qū)，然后整理Survivor的兩個(gè)區(qū)。這種方式的GC是對(duì)新生代的Eden區(qū)進(jìn)行，不會(huì)影響到老年代。因?yàn)榇蟛糠謱?duì)象都是從Eden區(qū)開始的，同時(shí)Eden區(qū)不會(huì)分配的很大，所以Eden區(qū)的GC會(huì)頻繁進(jìn)行。

Full GC

對(duì)整個(gè)堆進(jìn)行整理，包括Young、Tenured和Perm。Full GC因?yàn)樾枰獙?duì)整個(gè)對(duì)進(jìn)行回收，所以比Scavenge GC要慢，因此應(yīng)該盡可能減少Full GC的次數(shù)。在對(duì)JVM調(diào)優(yōu)的過程中，很大一部分工作就是對(duì)于FullGC的調(diào)節(jié)。有如下原因可能導(dǎo)致Full GC：

• 老年代（Tenured）被寫滿

• 持久代（Perm）被寫滿

• System.gc()被顯示調(diào)用

垃圾收集器

垃圾收集器是內(nèi)存回收的具體實(shí)現(xiàn)，下圖展示了7種用于不同分代的收集器，兩個(gè)收集器之間有連線表示可以搭配使用。下面的這些收集器沒有“最好的”這一說，每種收集器都有最適合的使用場(chǎng)景。

Serial收集器

Serial收集器是最基本的收集器，這是一個(gè)單線程收集器，它“單線程”的意義不僅僅是說明它只用一個(gè)線程去完成垃圾收集工作，更重要的是在它進(jìn)行垃圾收集工作時(shí)，必須暫停其他工作線程，直到它收集完成。Sun將這件事稱之為”Stop the world“。

沒有一個(gè)收集器能完全不停頓，只是停頓的時(shí)間長(zhǎng)短。

雖然Serial收集器的缺點(diǎn)很明顯，但是它仍然是JVM在Client模式下的默認(rèn)新生代收集器。它有著優(yōu)于其他收集器的地方：簡(jiǎn)單而高效（與其他收集器的單線程比較），Serial收集器由于沒有線程交互的開銷，專心只做垃圾收集自然也獲得最高的效率。在用戶桌面場(chǎng)景下，分配給JVM的內(nèi)存不會(huì)太多，停頓時(shí)間完全可以在幾十到一百多毫秒之間，只要收集不頻繁，這是完全可以接受的。

ParNew收集器

ParNew是Serial的多線程版本，在回收算法、對(duì)象分配原則上都是一致的。ParNew收集器是許多運(yùn)行在Server模式下的默認(rèn)新生代垃圾收集器，其主要在于除了Serial收集器，目前只有ParNew收集器能夠與CMS收集器配合工作。

Parallel Scavenge收集器

Parallel Scavenge收集器是一個(gè)新生代垃圾收集器，其使用的算法是復(fù)制算法，也是并行的多線程收集器。

Parallel Scavenge 收集器更關(guān)注可控制的吞吐量，吞吐量等于運(yùn)行用戶代碼的時(shí)間/(運(yùn)行用戶代碼的時(shí)間+垃圾收集時(shí)間)。直觀上，只要最大的垃圾收集停頓時(shí)間越小，吞吐量是越高的，但是GC停頓時(shí)間的縮短是以犧牲吞吐量和新生代空間作為代價(jià)的。比如原來10秒收集一次，每次停頓100毫秒，現(xiàn)在變成5秒收集一次，每次停頓70毫秒。停頓時(shí)間下降的同時(shí)，吞吐量也下降了。

停頓時(shí)間越短就越適合需要與用戶交互的程序；而高吞吐量則可以最高效的利用CPU的時(shí)間，盡快的完成計(jì)算任務(wù)，主要適用于后臺(tái)運(yùn)算。

Serial Old收集器

Serial Old收集器是Serial收集器的老年代版本，也是一個(gè)單線程收集器，采用“標(biāo)記-整理算法”進(jìn)行回收。其運(yùn)行過程與Serial收集器一樣。

Parallel Old收集器

Parallel Old收集器是Parallel Scavenge收集器的老年代版本，使用多線程和標(biāo)記-整理算法進(jìn)行垃圾回收。其通常與Parallel Scavenge收集器配合使用，“吞吐量?jī)?yōu)先”收集器是這個(gè)組合的特點(diǎn)，在注重吞吐量和CPU資源敏感的場(chǎng)合，都可以使用這個(gè)組合。

CMS 收集器

CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是一種以獲取最短停頓時(shí)間為目標(biāo)的收集器，CMS收集器采用標(biāo)記--清除算法，運(yùn)行在老年代。主要包含以下幾個(gè)步驟：

• 初始標(biāo)記
• 并發(fā)標(biāo)記
• 重新標(biāo)記
• 并發(fā)清除

其中初始標(biāo)記和重新標(biāo)記仍然需要“Stop the world”。初始標(biāo)記僅僅標(biāo)記GC Root能直接關(guān)聯(lián)的對(duì)象，并發(fā)標(biāo)記就是進(jìn)行GC Root Tracing過程，而重新標(biāo)記則是為了修正并發(fā)標(biāo)記期間，因用戶程序繼續(xù)運(yùn)行而導(dǎo)致標(biāo)記變動(dòng)的那部分對(duì)象的標(biāo)記記錄。

由于整個(gè)過程中最耗時(shí)的并發(fā)標(biāo)記和并發(fā)清除，收集線程和用戶線程一起工作，所以總體上來說，CMS收集器回收過程是與用戶線程并發(fā)執(zhí)行的。雖然CMS優(yōu)點(diǎn)是并發(fā)收集、低停頓，很大程度上已經(jīng)是一個(gè)不錯(cuò)的垃圾收集器，但是還是有三個(gè)顯著的缺點(diǎn)：

• CMS收集器對(duì)CPU資源很敏感。在并發(fā)階段，雖然它不會(huì)導(dǎo)致用戶線程停頓，但是會(huì)因?yàn)檎加靡徊糠志€程（CPU資源）而導(dǎo)致應(yīng)用程序變慢。

• CMS收集器不能處理浮動(dòng)垃圾。所謂的“浮動(dòng)垃圾”，就是在并發(fā)標(biāo)記階段，由于用戶程序在運(yùn)行，那么自然就會(huì)有新的垃圾產(chǎn)生，這部分垃圾被標(biāo)記過后，CMS無法在當(dāng)次集中處理它們，只好在下一次GC的時(shí)候處理，這部分未處理的垃圾就稱為“浮動(dòng)垃圾”。也是由于在垃圾收集階段程序還需要運(yùn)行，即還需要預(yù)留足夠的內(nèi)存空間供用戶使用，因此CMS收集器不能像其他收集器那樣等到老年代幾乎填滿才進(jìn)行收集，需要預(yù)留一部分空間提供并發(fā)收集時(shí)程序運(yùn)作使用。要是CMS預(yù)留的內(nèi)存空間不能滿足程序的要求，這是JVM就會(huì)啟動(dòng)預(yù)備方案：臨時(shí)啟動(dòng)Serial Old收集器來收集老年代，這樣停頓的時(shí)間就會(huì)很長(zhǎng)。

• 由于CMS使用標(biāo)記--清除算法，所以在收集之后會(huì)產(chǎn)生大量?jī)?nèi)存碎片。當(dāng)內(nèi)存碎片過多時(shí)，將會(huì)給分配大對(duì)象帶來困難，這是就會(huì)進(jìn)行Full GC。

G1收集器

G1收集器與CMS相比有很大的改進(jìn)：

• G1收集器采用標(biāo)記--整理算法實(shí)現(xiàn)。
• 可以非常精確地控制停頓。

G1收集器可以實(shí)現(xiàn)在基本不犧牲吞吐量的情況下完成低停頓的內(nèi)存回收，這是由于它極力的避免全區(qū)域的回收，G1收集器將Java堆（包括新生代和老年代）劃分為多個(gè)區(qū)域（Region），并在后臺(tái)維護(hù)一個(gè)優(yōu)先列表，每次根據(jù)允許的時(shí)間，優(yōu)先回收垃圾最多的區(qū)域 。