JVM优化 - 垃圾回收

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虾王之王 2024-04-26 11:05:43 ©著作权

文章标签 垃圾收集器 CMS 垃圾回收 文章分类 Java 后端开发

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什么是垃圾回收？

程序的运行必然需要申请内存资源，无效的对象资源如果不及时处理就会一直占有内存资源，最终将导致内存溢出，所以对内存资源的管理是非常重要了。

C/C++语言的垃圾回收

在C/C++语言中，没有自动垃圾回收机制，是通过new关键字申请内存资源，通过delete关键字释放内存资源。如果，程序员在某些位置没有写delete进行释放，那么申请的对象将一直占用内存资源，最终可能会导致内存溢出。

Java语言的垃圾回收

为了让程序员更专注于代码的实现，而不用过多的考虑内存释放的问题，所以，在Java语言中，有了自动的垃圾回收机制，也就是我们熟悉的GC。有了垃圾回收机制后，程序员只需要关心内存的申请即可，内存的释放由系统自动识别完成。换句话说，自动的垃圾回收的算法就会变得非常重要了，如果因为算法的不合理，导致内存资源一直没有释放，同样也可能会导致内存溢出的。当然，除了Java语言，C#、Python等语言也都有自动的垃圾回收机制。

垃圾回收的常见算法

自动化的管理内存资源，垃圾回收机制必须要有一套算法来进行计算，哪些是有效的对象，哪些是无效的对象，对于无效的对象就要进行回收处理。常见的垃圾回收算法有：引用计数法、标记清除法、标记压缩法、复制算法、分代算法等。

引用计数法

引用计数是历史最悠久的一种算法，最早George E. Collins在1960的时候首次提出，50

年后的今天，该算法依然被很多编程语言使用。

原理

假设有一个对象A，任何一个对象对A的引用，那么对象A的引用计数器+1，当引用失败时，对象A的引用计数器就-1，如果对象A的计数器的值为0，就说明对象A没有引用了，可以被回收。

优缺点

优点：

实时性较高，无需等到内存不够的时候，才开始回收，运行时根据对象的计数器是否为0，就可以直接回收。

在垃圾回收过程中，应用无需挂起。如果申请内存时，内存不足，则立刻报 outofmember 错误。

区域性，更新对象的计数器时，只是影响到该对象，不会扫描全部对象。

缺点：

每次对象被引用时，都需要去更新计数器，有一点时间开销。

浪费CPU资源，即使内存够用，仍然在运行时进行计数器的统计。

无法解决循环引用问题。（最大的缺点）

什么是循环引用？

package com.tntxia.test.jvm;

class TestA{
    public TestB b;
}
class TestB{
    public TestA a;
}
public class Main{
    public static void main(String[] args){
        TestA a = new TestA();
        TestB b = new TestB();
        a.b=b;
        b.a=a;
        a = null;
        b = null;
    }
}

虽然a和b都为null，但是由于a和b存在循环引用，这样a和b永远都不会被回收。

标记清除法

标记清除算法，是将垃圾回收分为2个阶段，分别是标记和清除。

标记：从根节点开始标记引用的对象。清除：未被标记引用的对象就是垃圾对象，可以被清理

原理

JVM优化 - 垃圾回收_垃圾收集器

这张图代表的是程序运行期间所有对象的状态，它们的标志位全部是0（也就是未标记，以下默认0就是未标记，1为已标记），假设这会儿有效内存空间耗尽了，JVM将会停止应用程序的运行并开启GC线程，然后开始进行标记工作，按照根搜索算法，标记完以后，对象的状态如下图。

JVM优化 - 垃圾回收_垃圾回收_02

可以看到，按照根搜索算法，所有从root对象可达的对象就被标记为了存活的对象，此时已经完成了第一阶段标记。接下来，就要执行第二阶段清除了，那么清除完以后，剩下的对象以及对象的状态如下图所示。

没有被标记的对象将会回收清除掉，而被标记的对象将会留下，并且会将标记位重新归0。接下来就不用说了，唤醒停止的程序线程，让程序继续运行即可。

优缺点

可以看到，标记清除算法解决了引用计数算法中的循环引用的问题，没有从root节点引用的对象都会被回收。

同样，标记清除算法也是有缺点的：

效率较低，标记和清除两个动作都需要遍历所有的对象，并且在GC时，需要停止应用程序，对于交互性要求比较高的应用而言这个体验是非常差的。
通过标记清除算法清理出来的内存，碎片化较为严重，因为被回收的对象可能存在于内存的各个角落，所以清理出来的内存是不连贯的。

标记压缩算法

标记压缩算法是在标记清除算法的基础之上，做了优化改进的算法。和标记清除算法一样，也是从根节点开始，对对象的引用进行标记，在清理阶段，并不是简单的清理未标记的对象，而是将存活的对象压缩到内存的一端，然后清理边界以外的垃圾，从而解决了碎片化的问题。

原理

JVM优化 - 垃圾回收_垃圾收集器_03

优缺点

优缺点同标记清除算法，解决了标记清除算法的碎片化的问题，同时，标记压缩算法多了一步，对象移动内存位置的步骤，其效率也有有一定的影响。

复制算法

复制算法的核心就是，将原有的内存空间一分为二，每次只用其中的一块，在垃圾回收时，将正在使用的对象复制到另一个内存空间中，然后将该内存空间清空，交换两个内存的角色，完成垃圾的回收。如果内存中的垃圾对象较多，需要复制的对象就较少，这种情况下适合使用该方式并且效率比较高，反之，则不适合。

JVM中年轻代内存空间

在GC开始的时候，对象只会存在于Eden区和名为“From”的Survivor区，Survivor区“To”是空的。
紧接着进行GC，Eden区中所有存活的对象都会被复制到“To”，而在“From”区中，仍存活的对象会根据他们的年龄值来决定去向。年龄达到一定值(年龄阈值，可以通过XX:MaxTenuringThreshold来设置)的对象会被移动到年老代中，没有达到阈值的对象会被复制到“To”区域。
经过这次GC后，Eden区和From区已经被清空。这个时候，“From”和“To”会交换他们的角色，也就是新的“To”就是上次GC前的“From”，新的“From”就是上次GC前的“To”。不管怎样，都会保证名为To的Survivor区域是空的。
GC会一直重复这样的过程，直到“To”区被填满，“To”区被填满之后，会将所有对象移动到年老代中。

优缺点

优点：

在垃圾对象多的情况下，效率较高

清理后，内存无碎片

在垃圾对象少的情况下，不适用，如：老年代内存

分配的2块内存空间，在同一个时刻，只能使用一半，内存使用率较低

分代算法

前面介绍了多种回收算法，每一种算法都有自己的优点也有缺点，谁都不能替代谁，所以根据垃圾回收对象的特点进行选择，才是明智的选择。分代算法其实就是这样的，根据回收对象的特点进行选择，在jvm中，年轻代适合使用复制算法，老年代适合使用标记清除或标记压缩算法。

垃圾收集器以及内存分配

前面我们讲了垃圾回收的算法，还需要有具体的实现，在jvm中，实现了多种垃圾收集器，包括：串行垃圾收集器、并行垃圾收集器、CMS（并发）垃圾收集器、G1垃圾收集器，接下来，我们一个个的了解学习。

串行垃圾收集器

串行垃圾收集器，是指使用单线程进行垃圾回收，垃圾回收时，只有一个线程在工作，并且java应用中的所有线程都要暂停，等待垃圾回收的完成。这种现象称之为 STW（Stop-The-World）。对于交互性较强的应用而言，这种垃圾收集器是不能够接受的。一般在Javaweb应用中是不会采用该收集器的。

编写测试代码

package com.tntxia.test.jvm;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.Properties;
import java.util.Random;
public class TestGC {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        List<Object> list = new ArrayList<Object>();
        while (true){
            int sleep = new Random().nextInt(100);
            if(System.currentTimeMillis() % 2 ==0){
                list.clear();
            }else{
                for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                    Properties properties = new Properties();
                    properties.put("key_"+i, "value_" +
                            System.currentTimeMillis() + i);
                    list.add(properties);
                }
            }
// System.out.println("list大小为：" + list.size());
            Thread.sleep(sleep);
        }
    }
}

设置垃圾回收为串行收集器

在程序运行参数中添加2个参数，如下：

-XX:+UseSerialGC

指定年轻代和老年代都使用串行垃圾收集器

-XX:+PrintGCDetails

打印垃圾回收的详细信息

# 为了测试GC，将堆的初始和最大内存都设置为16M
‐XX:+UseSerialGC ‐XX:+PrintGCDetails ‐Xms16m ‐Xmx16m

启动程序，可以看到下面信息：

[GC (Allocation Failure) [DefNew: 4416K‐>512K(4928K), 0.0046102 secs]
4416K‐>1973K(15872K), 0.0046533 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00,
real=0.00 secs]
[Full GC (Allocation Failure) [Tenured: 10944K‐>3107K(10944K), 0.0085637
secs] 15871K‐>3107K(15872K), [Metaspace: 3496K‐>3496K(1056768K)],
0.0085974 secs] [Times: user=0.02 sys=0.00, real=0.01 secs]

GC日志信息解读：

年轻代的内存GC前后的大小： DefNew 表示使用的是串行垃圾收集器。 4416K->512K(4928K)

表示，年轻代GC前，占有4416K内存，GC后，占有512K内存，总大小4928K

0.0046102 secs 表示，GC所用的时间，单位为毫秒。 4416K->1973K(15872K) 表示，GC前，堆内存占有4416K，GC后，占有1973K，总大小为15872K Full GC 表示，内存空间全部进行GC

并行垃圾收集器

并行垃圾收集器在串行垃圾收集器的基础之上做了改进，将单线程改为了多线程进行垃圾回收，这样可以缩短垃圾回收的时间。（这里是指，并行能力较强的机器）当然了，并行垃圾收集器在收集的过程中也会暂停应用程序，这个和串行垃圾回收器是一样的，只是并行执行，速度更快些，暂停的时间更短一些。

ParNew垃圾收集器

ParNew垃圾收集器是工作在年轻代上的，只是将串行的垃圾收集器改为了并行。

通过-XX:+UseParNewGC参数设置年轻代使用ParNew回收器，老年代使用的依然是串行收集器。测试：

#参数
‐XX:+UseParNewGC ‐XX:+PrintGCDetails ‐Xms16m ‐Xmx16m
#打印出的信息
[GC (Allocation Failure) [ParNew: 4416K‐>512K(4928K), 0.0032106 secs]
4416K‐>1988K(15872K), 0.0032697 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00,
real=0.00 secs]

由以上信息可以看出， ParNew: 使用的是ParNew收集器。其他信息和串行收集器一致。

ParallelGC垃圾收集器

ParallelGC收集器工作机制和ParNewGC收集器一样，只是在此基础之上，新增了两个和系统吞吐量相关的参数，使得其使用起来更加的灵活和高效。相关参数如下： -XX:+UseParallelGC 年轻代使用ParallelGC垃圾回收器，老年代使用串行回收器。

-XX:+UseParallelOldGC 年轻代使用ParallelGC垃圾回收器，老年代使用ParallelOldGC垃圾回收器。

-XX:MaxGCPauseMillis 设置最大的垃圾收集时的停顿时间，单位为毫秒需要注意的时，ParallelGC为了达到设置的停顿时间，可能会调整堆大小或其他的参数，如果堆的大小设置的较小，就会导致GC工作变得很频繁，反而可能会影响到性能。该参数使用需谨慎。

-XX:GCTimeRatio 设置垃圾回收时间占程序运行时间的百分比，公式为1/(1+n)。它的值为0~100之间的数字，默认值为99，也就是垃圾回收时间不能超过1%

-XX:UseAdaptiveSizePolicy 自适应GC模式，垃圾回收器将自动调整年轻代、老年代等参数，达到吞吐量、堆大小、停顿时间之间的平衡。一般用于，手动调整参数比较困难的场景，让收集器自动进行调整。

#参数
‐XX:+UseParallelGC ‐XX:+UseParallelOldGC ‐XX:MaxGCPauseMillis=100 ‐
XX:+PrintGCDetails ‐Xms16m ‐Xmx16m
#打印的信息
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 4096K‐>480K(4608K)] 4096K‐
>1840K(15872K), 0.0034307 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00
secs]
[Full GC (Ergonomics) [PSYoungGen: 505K‐>0K(4608K)] [ParOldGen: 10332K‐
>10751K(11264K)] 10837K‐>10751K(15872K), [Metaspace: 3491K‐
>3491K(1056768K)], 0.0793622 secs] [Times: user=0.13 sys=0.00, real=0.08
secs]

有以上信息可以看出，年轻代和老年代都使用了ParallelGC垃圾回收器。

CMS垃圾收集器

CMS全称 Concurrent Mark Sweep，是一款并发的、使用标记-清除算法的垃圾回收器，

该回收器是针对老年代垃圾回收的，通过参数-XX:+UseConcMarkSweepGC进行设置。 CMS垃圾回收器的执行过程如下：

初始化标记(CMS-initial-mark) ,标记root，会导致stw；

并发标记(CMS-concurrent-mark)，与用户线程同时运行；预清理（CMS-concurrent-preclean），与用户线程同时运行；重新标记(CMS-remark) ，会导致stw；并发清除(CMS-concurrent-sweep)，与用户线程同时运行；调整堆大小，设置CMS在清理之后进行内存压缩，目的是清理内存中的碎片；并发重置状态等待下次CMS的触发(CMS-concurrent-reset)，与用户线程同时运行；

测试

#设置启动参数
‐XX:+UseConcMarkSweepGC ‐XX:+PrintGCDetails ‐Xms16m ‐Xmx16m
#运行日志
[GC (Allocation Failure) [ParNew: 4926K‐>512K(4928K), 0.0041843 secs]
9424K‐>6736K(15872K), 0.0042168 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00,
real=0.00 secs]
#第一步，初始标记
[GC (CMS Initial Mark) [1 CMS‐initial‐mark: 6224K(10944K)] 6824K(15872K),
0.0004209 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
#第二步，并发标记
[CMS‐concurrent‐mark‐start]
[CMS‐concurrent‐mark: 0.002/0.002 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00,
real=0.00 secs]
#第三步，预处理
[CMS‐concurrent‐preclean‐start]
[CMS‐concurrent‐preclean: 0.000/0.000 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00,
real=0.00 secs]
#第四步，重新标记
[GC (CMS Final Remark) [YG occupancy: 1657 K (4928 K)][Rescan (parallel)
, 0.0005811 secs][weak refs processing, 0.0000136 secs][class unloading,
0.0003671 secs][scrub symbol table, 0.0006813 secs][scrub string table,
0.0001216 secs][1 CMS‐remark: 6224K(10944K)] 7881K(15872K), 0.0018324
secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
#第五步，并发清理
[CMS‐concurrent‐sweep‐start]
[CMS‐concurrent‐sweep: 0.004/0.004 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00,
real=0.00 secs]
#第六步，重置
[CMS‐concurrent‐reset‐start]
[CMS‐concurrent‐reset: 0.000/0.000 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00,
real=0.00 secs]

G1垃圾收集器（重点）

G1垃圾收集器是在jdk1.7中正式使用的全新的垃圾收集器，oracle官方计划在jdk9中将G1变成默认的垃圾收集器，以替代CMS。

G1的设计原则就是简化JVM性能调优，开发人员只需要简单的三步即可完成调优：

第一步，开启G1垃圾收集器
第二步，设置堆的最大内存
第三步，设置最大的停顿时间 G1中提供了三种模式垃圾回收模式，Young GC、Mixed GC 和 Full GC，在不同的条件下被触发。 3.4.1、原理 G1垃圾收集器相对比其他收集器而言，最大的区别在于它取消了年轻代、老年代的物理划分，取而代之的是将堆划分为若干个区域（Region），这些区域中包含了有逻辑上的年轻代、老年代区域。这样做的好处就是，我们再也不用单独的空间对每个代进行设置了，不用担心每个代内存是否足够。

在G1划分的区域中，年轻代的垃圾收集依然采用暂停所有应用线程的方式，将存活对象

拷贝到老年代或者Survivor空间，G1收集器通过将对象从一个区域复制到另外一个区域，完成了清理工作。这就意味着，在正常的处理过程中，G1完成了堆的压缩（至少是部分堆的压缩），这样也就不会有cms内存碎片问题的存在了。在G1中，有一种特殊的区域，叫Humongous区域。如果一个对象占用的空间超过了分区容量50%以上，G1收集器就认为这是一个巨型对象。这些巨型对象，默认直接会被分配在老年代，但是如果它是一个短期存在的巨型对象，就会对垃圾收集器造成负面影响。为了解决这个问题，G1划分了一个Humongous区，它用来专门存放巨型对象。如果一个H区装不下一个巨型对象，那么G1会寻找连续的H分区来存储。为了能找到连续的H区，有时候不得不启动Full GC。 3.4.2、Young GC Young GC主要是对Eden区进行GC，它在Eden空间耗尽时会被触发。 Eden空间的数据移动到Survivor空间中，如果Survivor空间不够，Eden空间的部分数据会直接晋升到年老代空间。 Survivor区的数据移动到新的Survivor区中，也有部分数据晋升到老年代空间中。最终Eden空间的数据为空，GC停止工作，应用线程继续执行。