深入理解JVM垃圾回收机制

1、垃圾回收需要解决的问题及解决的办法总览

• 1、如何判定对象为垃圾对象
  • 引用计数法
  • 可达性分析法
• 2、如何回收
  • 回收策略
    • 标记-清除算法
    • 复制算法
    • 标记-整理算法
    • 分带收集算法
  • 垃圾回收器
    • serial
    • parnew
    • Cms
    • G1
• 3、何时回收

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下面就是如何判定对象为垃圾对象
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2、引用计数法

在对象中添加一个引用计数器，当有地方引用这个对象的时候，引用技术器得值就+1，当引用失效的时候，计数器得值就-1
算法缺点:当某个引用被收集时，下个引用并不会清0，因此不被回收造成内存泄露。

下面我们运行实例代码来看，JVM在循环引用时，是否能被收集(如果回收了就说明垃圾回收器用的不是引用计数法)。

如果想打印日志信息，请填入如下参数。

-verbose:gc -XX:+PrintGCDetails

其中我们需要将每个对象的所占内存扩大，因此我们声明一个大点的空间。

测试实验代码如下：

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 默认采用的垃圾回收器
    }
}

运行结果如下所示:

[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

这里我们会看到 22446K->648J这里，我们的对象被回收了，这就说明我们JVM采用的垃圾回收算法并不是引用计数法。

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3、可达性分析法

算法如名，可达性分析法就是从GCroot结点开始，看能否找到对象。

GCroot结点开始向下搜索，路径称为引用链，当对象没有任何一条引用链链接的时候，就认为这个对象是垃圾，并进行回收。

那么什么是GCroot呢(虚拟机在哪查找GCroot)。

• 虚拟机栈(局部变量表)
• 方法区的类属性所引用的对象。
• 方法区中常量所引用的对象。
• 本地方法栈中引用的对象。

目前主流JVM采用的垃圾判定算法就是可达性分析法。

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至此垃圾判定算法结束

垃圾回收算法开始

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4、标记-清除算法

存在的问题:

• 效率问题。
• 内存小块过多。
  如图所示：黄色的就是被标记清除的。清除后会发现有很多多余的小块。

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5、复制算法

下面是java内存常规划分

• (线程共有)堆内存 方法区
• (栈内存 本地方法栈) 程序计数器

下面是堆内存的划分

• 新生代
  • Eden 伊甸园
  • Survivor 存活区
  • Tenured Gen 养老区
• 老年代

下面就是过程：

被标记的黑色就是需要回收的

将白色区域复制下面，然后清空上面的

这样就完成了内存的连续分配，但是引来一个问题。
每次只能使用一半的内存。是不是有点少。。

为了解决这个问题，我们对内存就进行了划分。
我们对内存分为了三块区域。

内存区域	所占百分比
Eden	80%
survivor	10%
Tenured Gen	一点点

复制算法，我们需要将上面的思路，将Eden中需要回收的对象放到Survivor，然后清除。
也就是俩个Survivor中进行复制与清除。

这里我们即提高了效率，又减少了内存分配。

如果Survivor不够放，那就扔到老年代里，或者其他方法，反正有内存担保。

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6、标记-整理算法

复制算法主要针对新生代内存收集方法。
标记-整理算法主要针对的是老年代内存收集方法。

主要步骤：标记-整理-清除

如下图所示

然后将右面的进行删除计科达到回收效果。

7、分代收集算法

分代收集算法是根据内存的分代选择不同的算法。
对于新生代，一般选择复制算法。
对于老年代，一般选择标记-整理-清除算法。

显而易见，这是上面俩种算法的优点糅合在一起的应用。

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至此我们总结了所有垃圾回收算法。
下面就是各种出名的垃圾收集器

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8、Serial收集器

特点：

• 出现的最早的，发展最悠久的垃圾收集器。
• 单线程垃圾收集器。
• 主要针对新生代内存进行收集

运行机制如下所示

缺点：慢

用处：在客户端上运行还是比较有效。没有线程的开销，所以在客户端还是比较好用的。

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9、ParNew收集器

特点：

• 由单线程变成了多线程垃圾收集器。
• 如果要用CMS进行收集的话，最好采用ParNew收集器。

实现原理都是复制算法。

缺点：

• 性能较慢

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10、Parallel Scavenge 收集器

主用算法：复制算法(新生代收集器)

吞吐量 = （执行用户代码消耗的时间）/（执行用户代码的时间）+ 垃圾回收时所占用的时间

优点：吞吐量优化（CPU用于运行用户代码的时间与CPU消耗的总时间的比值）

关于控制吞吐量的参数如下

-XX:MaxGCPauseMills #垃圾收集器的停顿时间
-XX:GCTimeRatio #吞吐量大小

当停顿时间过小时，内存对应变小，回收的频率增大。因此第一个参数需要设置的合理才比较好。
第二个参数值越大，吞吐量越大，默认是99，（垃圾回收时间最多只能占到1%）

总的来说：客户端可用，服务端最好不用。

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11、CMS收集器（Concurrent Mark Sweep）

采用算法:标记清除算法。

• 工作过程：
  • 初始标记
  • 并发标记
  • 重新标记
  • 并发清理
• 优点：
  • 并发收集
  • 低停顿
• 缺点：
  • 占用大量的CPU资源
  • 无法处理浮动垃圾
  • 出现ConcurrentMode Failure
  • 空间碎片

CMS是一个并发的收集器。

目标是：减少延迟，增加响应速度
执行效果如下所示：

• 初始标记
  • 可达性分析法
• 重新标记
  • 为了修正并发期间，因对象重新运作而修正
• 并发清理
  • 直接清除了

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12、G1收集器（面向服务端）

最牛的垃圾收集器。

• 历史
  -2004年Sun发表了第一篇G1的论文，到2006年左右，在JDK6内集成进去了。JDK7才放出来。
• 优势
  • 集中了前面所有收集器的优点
  • G1能充分利用了多核的并行特点，能缩短停顿时间。
  • 分代收集（分成各种Region）
  • 空间整合（类似于标记清理算法）
  • 可预测的停顿（）。
• 步骤
  • 初始标记
  • 并发标记
  • 最终标记
  • 筛选回收

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13、小结：

至此我们就已经掌握了大部分GC的知识。这可不是一个小工程，希望要好好吸收知识。。