Java - GC 垃圾回收

JVM中一个垃圾回收线程，它的优先级较低，正常情况下不会执行。JVM空闲或者当前内存不足时,才会触发垃圾回收线程执行,扫描内没有被引用的对象,将这些对象添加到要回收的集合中进行回收。

GC介绍

Garbage Collection 垃圾收集，监测对象是否可用进而实现自动回收对象的目的。

GC调用方法：System.gc() 或Runtime.getRuntime().gc() 。

GC作用：防止内存泄漏。

GC运行方式：作为优先级低的线程运行，不可预知的情况下清除/回收内存中已经死亡或长时间未使用的对象。程序员无法实时调用GC回收对象。

	说明
-Xms | -Xmx | -Xmn	堆的初始大小 | 堆的最大值 | 堆中年轻代值
-XX:-DisableExplicitGC	禁用System.gc()
-XX:NewSize | -XX:MaxNewSize	新生代大小 | 新生代最大大小
-XX:NewRation	老生代与新生代的比例
-XX:InitialTenuringThreshold | -XX:MaxTenuringThreshold	老年代阀值 | 老年代最大值

GC触发条件

方法一：引用计数器

为每个对象创建一个引用计数，有对象引用时计数器 +1，引用被释放时计数 -1，当计数器为 0 时就可以被回收。它有一个缺点不能解决循环引用的问题；

方法二：可达性分析

从 GC Roots 开始向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链。当一个对象到 GC Roots 没有任何引用链相连时，则证明此对象是可以被回收的。

引用计数器 1.为对象创建一个引用计数器，当该对象被引用时，计数器就加1；当该对象的引用被释放后，计数器就减1。 2.当计数器为0时就表明该对象没有被引用，可以被GC回收。但是无法解决循环依赖的问题。

可达性分析法

1. 可达性分析的操作，必须确保一致性的快照中进行，保证所有引用在此期间不存在变化的情况。
2. 可达性分析的操作会触发所有用户线程暂停（挂起），官方称为STW。

GC何时调用

1. 对象没有引用（引用计数器=0，没有可达GC Root对象）
2. 作用域捕获异常
3. 程序意外终止 （例如：kill -9）
4. 执行System.exit()
5. 程序正常执行结束

GC如何调用

• System.gc()
• Runtime.getRuntime().gc()

GC 降低开销

• 少用静态变量，静态变量属于全局变量，不会被GC回收，一直占用内存。
• 尽量使用基本类型，而不是包装类（int / Integer），基本类型占用的资源少。
• StringBuffer替代String来增加字符串。
• 对象尽量不显示设为null，对象=null，会被作为垃圾处理。将不用的对象设置为null，有利于GC回收。
• 尽量不显示调用System.gc()。System.gc()不会立即触发Full GC，但是大多时候会触发GC，从而增加了GC频率、增加了STW的次数、影响系统性能。

GC算法

标记-清除算法

第一步，标记需要回收的对象；

第二步，清除回收。

优点：操作简单方便、无需移动对象。

缺点：造成空间碎片，提高垃圾回收的频率。

 复制算法

按容量划分为2个大小相等的内存区域，当其中一块用完时将存活的对象复制到另一块中，将已使用的内存空间一次清理掉。

优点：不会产生内存碎片。

缺点：降低了内存空间的使用率，生存周期长达的对象容易被重复复制，浪费CPU资源。

标记-整理算法

标记无用对象，将所有可用的对象移动到一端，直接除掉边界外的对象。

优点：不会存在内存碎片

缺点：需要局部移动，会降低效率。

分代算法

根据对象存活周期的不同，将内存分为年轻代、老年代、永久代。

新生代基本采用复制算法，老年代采用标记-整理算。

GC Collector

	描述
Serial	最早的单线程串行垃圾回收器	新生代
Serial Old	Serial 垃圾回收器的老年版本，也是单线程的	老年代
ParNew	Serial 的多线程版本	新生代
Parallel	吞吐量优先的收集器（多线程），牺牲等待时间换取吞吐量	新生代
Parallel Old	Parallel 老生代版本。采用标记-整理算法	老年代
CMS	以获得最短停顿时间为目标的收集器，适用 B/S 系统。	老年代
G1	兼顾吞吐量和停顿时间的 GC 实现，是 JDK 9 以后的默认 GC 选项	整体

• 串行 （必须掌握）
• 并行（必须掌握）
• 并发 CMS（必须掌握）
• G1（必须掌握）

JDK1.7默认：Parallel Scavenge（新生代） + Parallel Old（老年代）

JDK1.8默认：Parallel Scavenge（新生代） + Parallel Old（老年代）

JDK1.9默认：G1

串行垃圾回收器

比喻：顾客在吃饭，服务员让其起来离开位置，需要打扫，顾客吃饭的行为被中断。

• 单线程环境，只运行一个线程回收垃圾。
• 回收时会暂停所有的用户线程 STW

并行垃圾回收器

比喻：客在吃饭，出现几个清洁工打扫卫生，顾客先出去，一会回来用餐。

• 多个垃圾收集线程执行垃圾收集工作
• 用户线程暂停 STW

CMS 并发垃圾回收器

比喻：顾客在吃饭，出现几个清洁工打扫卫生，顾客先去1号卓用餐，一会回到原位置。

• 垃圾收集与用户线程同时运行

 串行垃圾回收器

• JVM 开启串行垃圾回收器：-XX:+UseSerialGC
• JVM开启串行垃圾回收器之后，新生代、老年代会使用相关的组合

• 新生代：Serial，使用复制算法
• 老年代：Serial Old，使用标记-整理算法

并行垃圾回收器

新生代并行收集器，是Serial收集器的多线程版本，在多核cpu环境下使用。

• JVM开启并行垃圾回收器：-XX:+UseParNewGC
• JVM开启并行垃圾回收器之后，新生代、老年代会使用相关的组合

• 新生代：ParNew，使用复制算法
• 老年代：Serial Old，使用标记-整理算法

并发垃圾回收器

又称为吞吐量收集器（Throughout Collector），追求高吞吐量、高效运行CPU。

吞吐量=用户线程时间/（用户线程时间+垃圾回收时间）

使用场景：订单处理、工资支付等

• -XX:+UseParallelGC：开启此模式，使用ParallelScavenge + Serial Old组合进行垃圾回收。
• -XX:+UseParallelOldGC: 开启此模式，使用Parallel Scavenge + Parallel Old的收集器组合进行垃圾回收。

CMS

老年代并行收集器，追求最短卡顿时间。

CMS执行步骤

1. 初始标记 STW ①
2. 并发标记 ②
3. 预清理
4. 重新标记 STW ③
5. 并发清除 ④
6. 重置

1. 初始标记 STW
标记从GC Roots直接可达的老年代对象、新生代引用的老年代对象。
整个过程是单线程，其他线程会被暂停执行。

2. 并发标记
开始tracing，标记可达对象。
垃圾回收线程与应用程序并行执行，GC Roots对象会发生改变（例如：对象从新生代进入老年代，老年代中的引用发生改变，之前的引用被标记为dirty）。

3. 预清理

4. 重新标记 STW
暂停所有应用线程，重新标记并发标记遗漏的对象。

5. 并发清除
激活应用程序线程，将未被标记为存活的对象记为不可达。

6. 重置
CMS内部重置回收器状态，准备进入下一个回收周期。

CMS收集器在Minor GC时会暂停所有的应用线程，并以多线程的方式进行垃圾回收。在Full GC时不再暂停应用线程，而是使用若干个后台线程定期的对老年代空间进行扫描，及时回收其中不再使用的对象。

G1特点

• 不产生内存碎片。G1会压缩空闲内存使之足够紧凑，做法是用regions代替细粒度的空闲列表进行分配，减少内存碎片的产生。
• 可精确控制停顿时间。G1的STW更可控，G1在停顿时间上添加了预测机制，用户可以指定期望停顿时间，避免同一时刻回收垃圾过多，造成雪崩。

G1开启

• 第一步：开启G1垃圾收集器 -XX:+UseG1GC
• 第二步：设置堆的最大内存 -XX Xms 32g
• 第三步：设置最大停顿时间 -XX:MaxGCPauseMillis=100

G1 Region

G1取消了年轻代、老年代的物理划分，将堆划分为若干个region，这些region包含了逻辑上的年轻代、老年代区域。

 

Humongous 巨大： 对象占用空间超过分区容量50%，G1认为这个对象是一个巨型对象。Humongous区专门存放巨型对象，一个H区装不下一个巨型对象，G1会寻找连续的H区来存储。

寻找连续的H区时，会触发Full GC。

G1全局并发标记

第一步：初始标记 (initial mark, STW)：标记从根节点直接可达的对象，该阶段执行一次年轻代GC，产生STW。

第二步：根区域扫描(root region scan)

• 在初始标记活动区扫描对老年代的引用，标记被引用的对象。
• 该阶段与程序同时运行，只有完成该阶段，才能开始下一次STW年轻代垃圾回收。

第三步：并发标记（Cocurrent Marking）:G1 GC在整个堆中查找可访问（存活的）的对象，该阶段与程序同时运行，可以被STW年轻代垃圾回收中断。

第四步：重新标记（Remark, STW）：产生STW，针对上一次的标记进行修正。

第五步：清除垃圾（Cleanup,STW）：清点和重置标记状态，产生STW。该阶段实际不会做GC，等待evacuation阶段来回收。

G1优化

G1 GC吞吐量目标：90%应用程序时间 + 10% 垃圾回收时间

G1模式

1. Young GC

Eden区使用达到阀值，并且无法申请足够内存时会触发Young GC。

每次Young GC会回收所有Eden和Survior区，将存活对象复制到老年代和Survior区。

2. Mixed GC

收集整个Young Gen和部分Old Gen。G1独有的模式

MixedGC是G1GC特有的，跟FullGC不同的是MixedGC只回收部分老年代的Region。

MixedGC一般会发生在一次YoungGC后面，为了提高效率，MixedGC会复用YoungGC的全局的根扫描结果，因为这个STW过程是必须的，整体上来说缩短了暂停时间。

GC 练习

public class Math {
    public static final int initData = 666;
    public static User user = new User(); // 实际在堆中分配内存空间，元空间中user指向堆中user的实际地址。
    public int math() {
      int a = 1;
      int b = 2;
      int c = (a+b) * 10;
      return c;
    }
    public static void main(String[] args) {
      Math demo1 = new Math(); // 实际在堆中分配地址，局部变量表中math是堆中math的存储地址的引用。
      demo1.math();
    }
}
class User{}

// math（）对应的汇编代码如下
  public int math();
    Code:
       0: iconst_1
       1: istore_1
       2: iconst_2
       3: istore_2
       4: iload_1
       5: iload_2
       6: iadd
       7: bipush        10
       9: imul
      10: istore_3
      11: iload_3
      12: ireturn

Math.java 操作数栈过程

 Math.java内存分配过程

Math.class 加载过程

0.加载：将bin-JVM-Math.class加载至JVM内存区域

加载方式：懒加载

war包有1万个文件，实际使用不足10%。实际，90%的文件不会被加载（未使用）。

Math.class加载至JVM内存之前有一些列步骤：

1. 验证

Math.class第1行：cafe babe 0000 0034 0029 0700 0201 0008

如果修改内容：cafe babe 0000 0034 0029 0700 0201 1118

新的字节码文件不符合格式，验证格式错误。则不加载Math.class

2.准备

将静态变量赋予默认值（JVM规定：boolean->false, Integer->0, Object->null 等）

3.解析

3.1 静态链接：符号引号替换为直接引用。(main被称为符号，直接引用就是内存地址。由方法名获取变为直接通过物理地址获取。)
3.2 动态链接：在程序运行期间完成的将符号引用替换为直接引用。

4.初始化

实际赋值，initData 从0变为666。