Java基础-gs（垃圾回收）
Java垃圾回收概况
Java GC（Garbage Collection，垃圾收集，垃圾回收）机制，是Java与C++/C的主要区别之一，作为Java开发者，一般不需要专门编写内存回收和垃圾清理代 码，对内存泄露和溢出的问题，也不需要像C程序员那样战战兢兢。这是因为在Java虚拟机中，存在自动内存管理和垃圾清扫机制。概括地说，该机制对 JVM（Java Virtual Machine）中的内存进行标记，并确定哪些内存需要回收，根据一定的回收策略，自动的回收内存，永不停息（Nerver Stop）的保证JVM中的内存空间，放置出现内存泄露和溢出问题。
Java GC机制主要完成3件事：确定哪些内存需要回收，确定什么时候需要执行GC，如何执行GC。
学习Java GC机制，可以帮助我们在日常工作中排查各种内存溢出或泄露问题，解决性能瓶颈，达到更高的并发量，写出更高效的程序。
GC的阶段
对每个对象而言，垃圾回收分为两个阶段：finalization和reclamation。
finalization: 指运行这个对象的finalize的方法。
reclamation: 回收被这个对象使用的内存。
GC的过程的基本步骤
首先确认对象是不可达的，即将被回收。
其次，如果对象有finalize方法，那么对象被添加进finalization queue中；然后在某个时间点finalize方法被调用以释放finalize中的资源。
最后，回收对象占用的内存。
关于finalize方法的问题
finalize方法使得GC过程做了更多的事情，增加的GC的负担。
如果某个对象的finalize方法运行时间过长，它会使得其他对象的finalize方法被延迟执行。
finalize方法中如果创建了strong reference引用了其他对象，这会阻止此对象被GC。
finalize方法有可能以不可确定的顺序执行（也就是说要在安全性要求严格的场景中尽量避免使用finalize方法）。
不确保finalize方法会被及时调用，也许程序都退出了，但是finalize方法还没被调用。
衡量GC的指标（GC Metrics）
Throughput（吞吐量）：所有没有花在执行GC上的时间占总运行时间的比重。
Pauses（暂停）：当GC在运行时程序的暂停次数。或者是在感兴趣的暂停次数中，暂停的平均时长和最大时长。
Footprint（足迹？）：当前使用的堆内存大小。
Promptness（及时性）：不再使用的对象多久能被清除掉并释放其内存。
通用GC算法
Java所使用的所有的GC算法都是通用GC算法概念的变种。
通用GC算法的假设：
最近创建的对象很可能很快就不可达了（unreachable，即可被回收了），比如方法内部声明的本地变量，当程序运行出了本地变量的作用范围后，本地变量引用的对象就很快不可达了。
一个对象保持可达（reachable）的越久就越不可能被回收。
在Java GC中，对象被划分为generations（代）或spaces（空间）。Java把对象分为young（年轻代），tenured（年老代）和perm（永久代）。在GC过程中，对象从一个space（空间）移动到另一个space。
Object Spaces（对象空间）
- Young：年轻代中保存着刚创建的对象，这个代中的对象能够“minor” or “major” 收集中被回收。
- Tenured：年老代中保存着从年轻代中幸存下来的对象，只能够在“major”中被回收。
- Perm：永久代中保存着JVM所需的对象，比如Class对象和Method对象，以及他们的字节码和内部字符串等。对Perm中的对象GC意味着所有的Class都被卸载了。
每块空间的大小由当前的对内存大小决定，并且能够在运行时改变。每个空间之间的关系如下图所示： 
Young Spaces（年轻空间）
- Eden space：存储自从上次GC完毕之后新创建的对象，除了属于Perm的对象。当minor collection发生时，Eden space中的对象或者GC清理掉，或者被移到survivor space。
- Survivor spaces：这个空间中存储的是自从上次GC幸存下来的young object。在minor GC中，这些对象或者被GC清理掉，或者被移到另外一个survivor空间中。
Minor collections和Major collections
- Minor collection当young space被占满时执行。它比major collections快，因为minor collection仅仅检查major collection相应的一个子集对象。minor collection比major collection发生的频率高。
- Major collection当tenured space被占满时执行。他会清理tenured和young。
GC运行的三种方式
在java5和java6中有4中垃圾回收的算法，有一种算法将不再支持，剩余的三种垃圾回收算法是：serial,throughput and concurrent low pause。
Stop the world（停止所有程序的方式）：在这种方式运行的GC，在GC完成前，JVM中的所有程序都不允许运行。Serial collector此时做minor和major收集。Throughput collector此时做major collector。
Incremental（增量运行方式）：目前没要Java GC算法支持这种运行方式。GC以这种方式运行时，GC允许程序做一小段时间的工作，然后做垃圾回收工作。
Concurrent（并行运行）：Throughput collector此时做minor collect，Concurrent low pause collector此时做minor和major收集。在这种运行方式下，GC和程序并行的运行，因此程序仅仅被短暂的暂停。
GC算法
Serial算法: 使用-XX:+UseSerialGC开启此算法的GC。GC使用和应用程序相同的线程去做minor collection和major collection。 Throughput：使用-XX:+UseParallelGC开启此算法GC。GC使用多线程去做minor collection以减少程序停止的时间。但是对于major collection，还是使用同程序相同的线程去做。当具有多核cpu时，并且程序有大量的短生命周期的对象时，并且对程序停顿时间不限制时较好。 Concurrent Low Pause: 使用-XX:+UseConcMarkSweepGC开启此算法GC。使用多线程去做minor和major collection。当具有多核cpu，并且程序有大量的长生命周期的对象，并且对程序停顿时间有限制时，效果较好。
什么时候发生GC
GC发生的时刻受堆内存大小的影响。如果堆内存小，GC会执行的很快，但是又会很快的被填满，因此GC比频繁；如果堆内存很大，GC会执行的较慢，而且不会很快被填满，因此执行的比较频率比较低
基本的GC调试
throughput goal -XX:GCTimeRatio=n： 表示花费总时间百分之多少的CPU时间去运行程序。 maximum pause time goal -XX:MaxGCPauseMillis=n：每次GC时程序暂停最多多少毫秒。 footprint goal：如果其他目标都达到了，那么首先减少heap size，直到前两个goal不再满足，然后再慢慢增加。直到满足前面两个goal。 -Xms=n (starting) and -Xmx=n (maximum) heap size，这两个参数应该都很熟悉，就是JVM使用的最小堆内存数和最大堆内存数。 -XX:MinHeapFreeRatio=n, -XX:MaxHeapFreeRatio=n：最小和最大的空闲堆内存和被使用堆内存的比例。当空闲堆内存比例小于MinHeapFreeRatio时，内存空间开始扩展。当空闲堆内存比例大于MaxHeapFreeRatio时，内存空间开始减小。 -XX:NewSize=n, -XX:MaxNewSize=n：默认的young space的大小（包括eden + survivor 1 + survivor 2）。 -XX:NewRatio=n：young和tenured的比例。 -XX:SurvivorRatio=n：每个survivor space 和 eden之间的比例。 -XX:MaxPermSize=n：perm的最大size。 -XX:TargetSurvivorRatio=n：每次GC之后幸存下来的空间的目标比例。 -XX:+DisableExplicitGC：当此参数打开时，在程序中调用System.gc()将会不起作用。默认是off。 -XX:+ScavengeBeforeFullGC：当打开此参数时，在每次major collection时先执行一次minor collection。默认打开。 -XX:+UseGCOverheadLimit：当打开此参数时，如果总运行时间的98％的时间都在做GC，则抛出OutOfMemmoryError。默认打开。
4个方面学习Java GC机制
1，内存是如何分配的；
2，如何保证内存不被错误回收（即：哪些内存需要回收）；
3，在什么情况下执行GC以及执行GC的方式；
4，如何监控和优化GC机制。
GC机制的基本算法是：分代收集
下面阐述每个分代的收集方法。
年轻代：
事实上，在上一节，已经介绍了新生代的主要垃圾回收方法，在新生代中，使用“停止-复制”算法进行清理，将新生代内存分为2部分，1部分 Eden区较大，1部分Survivor比较小，并被划分为两个等量的部分。每次进行清理时，将Eden区和一个Survivor中仍然存活的对象拷贝到 另一个Survivor中，然后清理掉Eden和刚才的Survivor。
这里也可以发现，停止复制算法中，用来复制的两部分并不总是相等的（传统的停止复制算法两部分内存相等，但新生代中使用1个大的Eden区和2个小的Survivor区来避免这个问题）
由于绝大部分的对象都是短命的，甚至存活不到Survivor中，所以，Eden区与Survivor的比例较大，HotSpot默认是 8:1，即分别占新生代的80%，10%，10%。如果一次回收中，Survivor+Eden中存活下来的内存超过了10%，则需要将一部分对象分配到 老年代。用-XX:SurvivorRatio参数来配置Eden区域Survivor区的容量比值，默认是8，代表Eden：Survivor1：Survivor2=8:1:1.
老年代：
方法区（永久代）：
永久代的回收有两种：常量池中的常量，无用的类信息，常量的回收很简单，没有引用了就可以被回收。对于无用的类进行回收，必须保证3点：
- 类的所有实例都已经被回收
- 加载类的ClassLoader已经被回收
- 类对象的Class对象没有被引用（即没有通过反射引用该类的地方）
在GC机制中，起重要作用的是垃圾收集器，垃圾收集器是GC的具体实现，Java虚拟机规范中对于垃圾收集器没有任何规定，所以不同厂商实现的垃圾 收集器各不相同
在介绍垃圾收集器之前，需要明确一点，就是在新生代采用的停止复制算法中，“停 止（Stop-the-world）”的意义是在回收内存时，需要暂停其他所 有线程的执行。这个是很低效的，现在的各种新生代收集器越来越优化这一点，但仍然只是将停止的时间变短，并未彻底取消停止。
- Serial收集器：新生代收集器，使用停止复制算法，使用一个线程进行GC，其它工作线程暂停。使用-XX:+UseSerialGC可以使用Serial+Serial Old模式运行进行内存回收（这也是虚拟机在Client模式下运行的默认值）
- ParNew收集器：新生代收集器，使用停止复制算法，Serial收集器的多线程版，用多个线程进行GC，其它工作线程暂停，关注缩短垃圾收集时间。使用-XX:+UseParNewGC开关来控制使用ParNew+Serial Old收集器组合收集内存；使用-XX:ParallelGCThreads来设置执行内存回收的线程数。
- Parallel Scavenge 收集器：新生代收集器，使用停止复制算法，关注CPU吞吐量，即运行用户代码的时间/总时间，比如：JVM运行100分钟，其中运行用户代码99分钟，垃 圾收集1分钟，则吞吐量是99%，这种收集器能最高效率的利用CPU，适合运行后台运算（关注缩短垃圾收集时间的收集器，如CMS，等待时间很少，所以适 合用户交互，提高用户体验）。使用-XX:+UseParallelGC开关控制使用 Parallel Scavenge+Serial Old收集器组合回收垃圾（这也是在Server模式下的默认值）；使用-XX:GCTimeRatio来设置用户执行时间占总时间的比例，默认99，即 1%的时间用来进行垃圾回收。使用-XX:MaxGCPauseMillis设置GC的最大停顿时间（这个参数只对Parallel Scavenge有效）
- Serial Old收集器：老年代收集器，单线程收集器，使用标记整理（整理的方法是Sweep（清理）和Compact（压缩），清理是将废弃的对象干掉，只留幸存 的对象，压缩是将移动对象，将空间填满保证内存分为2块，一块全是对象，一块空闲）算法，使用单线程进行GC，其它工作线程暂停（注意，在老年代中进行标 记整理算法清理，也需要暂停其它线程），在JDK1.5之前，Serial Old收集器与ParallelScavenge搭配使用。
- Parallel Old收集器：老年代收集器，多线程，多线程机制与Parallel Scavenge差不错，使用标记整理（与Serial Old不同，这里的整理是Summary（汇总）和Compact（压缩），汇总的意思就是将幸存的对象复制到预先准备好的区域，而不是像Sweep（清 理）那样清理废弃的对象）算法，在Parallel Old执行时，仍然需要暂停其它线程。Parallel Old在多核计算中很有用。Parallel Old出现后（JDK 1.6），与Parallel Scavenge配合有很好的效果，充分体现Parallel Scavenge收集器吞吐量优先的效果。使用-XX:+UseParallelOldGC开关控制使用Parallel Scavenge +Parallel Old组合收集器进行收集。
- CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器：老年代收集器，致力于获取最短回收停顿时间，使用标记清除算法，多线程，优点是并发收集（用户线程可以和GC线程同时工作），停顿小。使用-XX:+UseConcMarkSweepGC进行ParNew+CMS+Serial Old进行内存回收，优先使用ParNew+CMS（原因见后面），当用户线程内存不足时，采用备用方案Serial Old收集。
CMS收集的方法是：先3次标记，再1次清除，3次标记中前两次是初始标记和重新标记（此时仍然需要停止（stop the world））， 初始标记（Initial Remark）是标记GC Roots能关联到的对象（即有引用的对象），停顿时间很短；并发标记（Concurrent remark）是执行GC Roots查找引用的过程，不需要用户线程停顿；重新标记（Remark）是在初始标记和并发标记期间，有标记变动的那部分仍需要标记，所以加上这一部分 标记的过程，停顿时间比并发标记小得多，但比初始标记稍长。在完成标记之后，就开始并发清除，不需要用户线程停顿。所以在CMS清理过程中，只有初始标记和重新标记需要短暂停顿，并发标记和并发清除都不需要暂停用户线程，因此效率很高，很适合高交互的场合。CMS也有缺点，它需要消耗额外的CPU和内存资源，在CPU和内存资源紧张，CPU较少时，会加重系统负担（CMS默认启动线程数为(CPU数量+3)/4）。另外，在并发收集过程中，用户线程仍然在运行，仍然产生内存垃圾，所以可能产生“浮动垃圾”，本次无法清理，只能下一次Full GC才清理，因此在GC期间，需要预留足够的内存给用户线程使用。所以使用CMS的收集器并不是老年代满了才触发Full GC，而是在使用了一大半（默认68%，即2/3，使用-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction来设置）的时候就要进行Full GC，如果用户线程消耗内存不是特别大，可以适当调高-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction以降低GC次数，提高性能，如果预留的用户线程内存不够，则会触发Concurrent Mode Failure，此时，将触发备用方案：使用Serial Old 收集器进行收集，但这样停顿时间就长了，因此-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction不宜设的过大。还有，CMS采用的是标记清除算法，会导致内存碎片的产生，可以使用-XX：+UseCMSCompactAtFullCollection来设置是否在Full GC之后进行碎片整理，用-XX：CMSFullGCsBeforeCompaction来设置在执行多少次不压缩的Full GC之后，来一次带压缩的Full GC。
- G1收集器：在JDK1.7中正式发布，与现状的新生代、老年代概念有很大不同，目前使用较少，不做介绍。
