深入理解java虚拟机(二)-----垃圾回收

做一个java程序员很是幸福，不用管不用的对象如何被回收，但是我认为了解一下也不是坏事。

一、如何判断对象已经死亡？

在进行垃圾回收之前，第一件事肯定是判断对象是否已经死亡。

1、引用计数算法

给对象添加一个引用计数器，当程序中使用到这个对象的时候，计数器+1；如果引用失效，计数器-1，当计数器为0时，说明程序中不再使用这个对象，既可以回收。问题：试想一下，当A对象中使用B对象，B对象中有方法使用A对象，完犊子，两个对象永远存在。

2、可达性分析算法(主流的商用程序语言的主流实现，都是基于此算法)

通过一系列GC Roots的对象作为起始点，当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连，说明对象不可用，可以被回收。

那么GC Roots对象的选择非常重要，主要包括下面几种：

• 1、虚拟机栈中引用的对象
• 2、方法区中类静态属性引用的对象
• 3、方法区中常量引用的对象
• 4、本地方法栈中JNI(native方法)引用的对象

 

二、引用

在jdk1.2之前，引用是这么定义的：
如果reference类型的数据中存储的数值代表的是另外一块内存的起始地址，就称这块内存代表着一个引用。
在jdk1.2之后，对引用进行了扩展：

1、强引用

Student student = new Student()，这种就叫做强引用，这种只要引用存在，垃圾收集器永远不会回收对象。

2、软引用

有用但不是必需的对象，在系统将要发生内存溢出异常之前，把这些对象列进回收范围进行第二次回收。SoftReference表示软引用。

3、弱引用

非必需的对象，强度比软引用更弱一些，弱引用对象只能生存到下一次垃圾收集发生之前。WeakReference表示弱引用。

4、虚引用

无法通过虚引用取得一个对象实例，存在的唯一意义就是在这个对象被收集器回收时收到一个系统通知。PhantomReference表示虚引用。

 

三、垃圾回收算法

垃圾回收的算法有很多，逐一介绍。

1、标记-清除算法

首先通过上面介绍的GC Roots算法判断对象是否存活，然后将不存活的对象打上标记。如下：

缺点：

• 效率问题，标记和清除两个过程的效率都不算高
• 资源浪费问题：从图中可以看到，清除完之后的内存都是不连续的，产生了很多的内存碎片，这样以后内存分配其他大对象的时候，就无法分配了。

 

2、复制算法

复制算法将内存分为大小相等的两块，每次只使用一块，当一块内存快满的时候，就将还存活的对象复制到另外一块内存上，然后把已使用的内存一次性清理掉，这样会提高效率。缺点则是浪费内存了，一次只能使用一半。

大部分的商业虚拟机都是采用这种算法还回收新生代，在之前的博文中提到了新生代主要可以分为eden、from survivor、to survivor，
通常eden:survivor=8:1，因为大部分新生代中的对象，大概能有98%是朝生夕死的。

 

3、标记-整理算法

标记过程基于标记-清除算法，但是整理的时候则不一样，让所有存活的对象都向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存。

 

4、分代收集

以上几种算法各有各的特点，当前主流的商业虚拟机对于不同的内存区域，例如新生代、老年代，不同区域的对象特点不同，所以使用不同的算法达到最佳的效果。

 

四、内存分配 

1、对象优先在eden区分配，如果eden区内存不够，则触发一次minor gc。
minor gc：年轻代内存回收被称为minor gc。
major gc：清理老年代。
full gc：清理整个堆空间—包括年轻代和老年代。

 

2、大对象直接进入老年代
大对象：需要大量连续内存空间的java对象，例如很长的字符串以及数组对象。

3、长期存活的对象将进入老年代
如何判断对象是长期存活的，其实也简单，jvm给对象维护了年龄计数器。对象从eden区没有被回收掉，年龄+1，到了survivor区还是没被干掉，年龄+1，达到年龄的阈值后，放入到老年代。

 

五、垃圾收集器

如果说收集算法是内存回收的方法论，垃圾收集器就是内存回收的具体实现。

1、Serial收集器

串行收集器是最古老，最稳定以及效率高的收集器，可能会产生较长的停顿，只使用一个线程去回收。新生代、老年代使用串行回收；新生代复制算法、老年代标记-压缩；垃圾收集的过程中会Stop The World（服务暂停）

参数控制：-XX:+UseSerialGC  串行收集器

2、ParNew收集器

ParNew收集器其实就是Serial收集器的多线程版本。新生代并行，老年代串行；新生代复制算法、老年代标记-压缩

参数控制：-XX:+UseParNewGC  ParNew收集器

-XX:ParallelGCThreads 限制线程数量

 

3、Parallel收集器

Parallel Scavenge收集器类似ParNew收集器，Parallel收集器更关注系统的吞吐量。可以通过参数来打开自适应调节策略，虚拟机会根据当前系统的运行情况收集性能监控信息，动态调整这些参数以提供最合适的停顿时间或最大的吞吐量；也可以通过参数控制GC的时间不大于多少毫秒或者比例；新生代复制算法、老年代标记-压缩

参数控制：-XX:+UseParallelGC  使用Parallel收集器+ 老年代串行

4、Parallel Old 收集器

Parallel Old是Parallel Scavenge收集器的老年代版本，使用多线程和“标记－整理”算法。这个收集器是在JDK 1.6中才开始提供

参数控制： -XX:+UseParallelOldGC 使用Parallel收集器+ 老年代并行

5、CMS收集器

CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器。目前很大一部分的Java应用都集中在互联网站或B/S系统的服务端上，这类应用尤其重视服务的响应速度，希望系统停顿时间最短，以给用户带来较好的体验。

从名字（包含“Mark Sweep”）上就可以看出CMS收集器是基于“标记-清除”算法实现的，它的运作过程相对于前面几种收集器来说要更复杂一些，整个过程分为4个步骤，包括： 

• 初始标记（CMS initial mark）
• 并发标记（CMS concurrent mark）
• 重新标记（CMS remark）
• 并发清除（CMS concurrent sweep）

 其中初始标记、重新标记这两个步骤仍然需要“Stop The World”。初始标记仅仅只是标记一下GC Roots能直接关联到的对象，速度很快，并发标记阶段就是进行GC Roots Tracing的过程，而重新标记阶段则是为了修正并发标记期间，因用户程序继续运作而导致标记产生变动的那一部分对象的标记记录，这个阶段的停顿时间一般会比初始标记阶段稍长一些，但远比并发标记的时间短。 
      由于整个过程中耗时最长的并发标记和并发清除过程中，收集器线程都可以与用户线程一起工作，所以总体上来说，CMS收集器的内存回收过程是与用户线程一起并发地执行。老年代收集器（新生代使用ParNew）

  优点:并发收集、低停顿 

   缺点：产生大量空间碎片、并发阶段会降低吞吐量

   参数控制：-XX:+UseConcMarkSweepGC  使用CMS收集器

             -XX:+ UseCMSCompactAtFullCollection Full GC后，进行一次碎片整理；整理过程是独占的，会引起停顿时间变长

            -XX:+CMSFullGCsBeforeCompaction  设置进行几次Full GC后，进行一次碎片整理

            -XX:ParallelCMSThreads  设定CMS的线程数量（一般情况约等于可用CPU数量）

 

6、G1收集器

 

G1是目前技术发展的最前沿成果之一，HotSpot开发团队赋予它的使命是未来可以替换掉JDK1.5中发布的CMS收集器。与CMS收集器相比G1收集器有以下特点：

1. 空间整合，G1收集器采用标记整理算法，不会产生内存空间碎片。分配大对象时不会因为无法找到连续空间而提前触发下一次GC。

2. 可预测停顿，这是G1的另一大优势，降低停顿时间是G1和CMS的共同关注点，但G1除了追求低停顿外，还能建立可预测的停顿时间模型，能让使用者明确指定在一个长度为N毫秒的时间片段内，消耗在垃圾收集上的时间不得超过N毫秒，这几乎已经是实时Java（RTSJ）的垃圾收集器的特征了。

上面提到的垃圾收集器，收集的范围都是整个新生代或者老年代，而G1不再是这样。使用G1收集器时，Java堆的内存布局与其他收集器有很大差别，它将整个Java堆划分为多个大小相等的独立区域（Region），虽然还保留有新生代和老年代的概念，但新生代和老年代不再是物理隔阂了，它们都是一部分（可以不连续）Region的集合。

 

G1的新生代收集跟ParNew类似，当新生代占用达到一定比例的时候，开始出发收集。和CMS类似，G1收集器收集老年代对象会有短暂停顿。

 

收集步骤：

1、标记阶段，首先初始标记(Initial-Mark),这个阶段是停顿的(Stop the World Event)，并且会触发一次普通Mintor GC。对应GC log:GC pause (young) (inital-mark)

2、Root Region Scanning，程序运行过程中会回收survivor区(存活到老年代)，这一过程必须在young GC之前完成。

3、Concurrent Marking，在整个堆中进行并发标记(和应用程序并发执行)，此过程可能被young GC中断。在并发标记阶段，若发现区域对象中的所有对象都是垃圾，那个这个区域会被立即回收(图中打X)。同时，并发标记过程中，会计算每个区域的对象活性(区域中存活对象的比例)。

 

4、Remark, 再标记，会有短暂停顿(STW)。再标记阶段是用来收集 并发标记阶段 产生新的垃圾(并发阶段和应用程序一同运行)；G1中采用了比CMS更快的初始快照算法:snapshot-at-the-beginning (SATB)。

5、Copy/Clean up，多线程清除失活对象，会有STW。G1将回收区域的存活对象拷贝到新区域，清除Remember Sets，并发清空回收区域并把它返回到空闲区域链表中。

6、复制/清除过程后。回收区域的活性对象已经被集中回收到深蓝色和深绿色区域。