【JVM笔记】垃圾回收

• 如何判断对象可以回收
• 垃圾回收算法
• 分代垃圾回收
• 垃圾回收器
• 垃圾回收调优

1.如何判断垃圾可以回收

1.1 引用计数

简单但速度很慢的垃圾回收技术
常用来说明垃圾收集的工 作方式，似乎从未被应用于任何一种JVM实现

• 每个对象含有一个引用计数器，当有引用连接至对象时，引用计数加1。
• 当引用离开作用域或被置为null，引用计数减1。
• 当某个对象的引用计数为0时，释放其占用的空间

缺陷：循环引用（对象应该被回收，但引用计数不为0）

1.2 可达性分析算法

• JVM中的垃圾回收器采用可达性分析来探索所有存活的对象
• 扫描堆中对象，查找是否能够沿着GC Root对象为起点的引用链找到该对象。找不到，表示可以回收

$ jmap -dump:format=b,live,file=文件名 进程ID

# format=b 二进制格式存储
# live 存储快照前进行一次垃圾回收
# file=文件名 存储文件名

利用Eclipse的MAT工具查看GC Roots

1.3 五种引用

1. 强引用
   • 只有所有GC Roots对象都不通过强引用引用该对象，它才能被垃圾回收
2. 软引用
   • 仅有软引用引用该对象时，垃圾回收后，内存仍不足时会再次触发垃圾回收，回收该对象
   • 可以配合引用队列释放软引用自身
3. 弱引用
   • 仅有弱引用引用该对象时，垃圾回收时，无论内存是否充足，都会回收该对象
   • 可以配合引用队列释放弱引用自身
4. 虚引用
   • 必须配合引用队列使用，主要配合ByteBuffer使用，被引用对象回收时，会将虚引用入队，由Referce Handler 线程调用虚引用相关方法释放直接内存
5. 终结器引用
   • 某对象重写了finalize()方法。垃圾回收时，终结器引用入队（被引用对象暂时没有被回收）。由Finalize Handler 线程通过终结器引用找到被引用对象并调用它的finalize()方法。下一次GC时真正回收这个对象。

2.垃圾回收算法

2.1 标记-清除（Mark Sweep）

• 速度较快
• 产生内存碎片

2.2 标记-整理（Mark Compact）

• 没有内存碎片
• 速度较慢

2.3 复制（Copy)

• 没有内存碎片
• 占用双倍的内存空间

3.分代垃圾回收

• 大多数对象首先分配在Eden区
• 新生代空间不足时，触发Minor GC，Eden区和From幸存区存活的对象使用Copy算法复制到To幸存区，存活对象年龄+1，并且交换From和To
• Minor GC会引发stop the world，暂停其他用户线程，等GC结束，用户线程恢复运行
• 当对象寿命超过阈值时，会晋升至老年代，最大寿命是15（4bit）
• 当老年代空间不足，会先尝试触发Minor GC。如果空间仍然不足，将触发Full GC，STW时间更长
• 大对象直接放入老年代

3.1 相关VM参数

4.垃圾回收器

1. 串行
   • 单线程
   • 堆内存较小，适合个人PC
2. 吞吐量优先
   • 多线程
   • 堆内存较大，多核cpu
   • 单位时间STW时间最短 0.2 0.2 = 0.4
3. 响应时间优先
   • 多线程
   • 堆内存较大，多核cpu
   • 尽可能让单次STW时间最短 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 = 0.5

4.1 串行

-XX:+UserSerialGC = Serial + SerialOld (新生代复制，老年代标记整理）

4.2 吞吐量优先

-XX:+UseParallelGC ~ -XX:+UseParallelOldGC （JDK8默认开启）
-XX:ParallelGCThreads=n 控制线程数
-XX:+UseAdaptiveSizePolicy 动态调整新生代大小，Eden与Survivor的比例，晋升老年代对象大小等参数
-XX:GCTimeRatio=ratio 垃圾收集时间占总时间的比率
-XX:MaxGCPauseMillis=ms 最大垃圾收集停顿时间

4.3 响应时间优先

-XX:+UseConcMarkSweepGC ~ -XX:+UseParNewGC ~ SerialOld
-XX:ParallelGCThreads=n ~ -XX:ConcGCThreads=threads 并行线程数一般是cpu数，并发线程一般设置为并行线程数的1/4
-XX:CMSInitiationOccupancyFraction=percent 执行垃圾回收时的内存占比
-XX:+CMSScavengBeforeRemark 重新标记前对新生代进行GC

4.4 G1

适用场景

• 同时注重吞吐量和低延迟，默认的暂停目标200ms
• 超大堆内存，会将堆划分为多个大小相等的Region
• 整体上是标记整理算法，两个区域间是复制算法
  相关JVM参数
  -XX:+UseG1GC (JDK9默认启用)
  -XX:G1HeapRegionSize=size
  -XX:MaxGCPauseMillis=time

1) G1垃圾回收阶段

2) Young Collection

• 会STW
• 每个区域都可独立作为Eden区，Survivor区和老年代

新对象分配到Eden区

当Eden区占满时触发新生代垃圾回收，将幸存的对象以复制算法放到幸存区

幸存区占满，触发新生代垃圾回收，一部分晋升到老年代。不够年龄的对象拷贝到另一个幸存区

3) Young Collection + CM

• 在Young GC时会进行GC Root的初始标记
• 老年代占用堆空间比例达到阈值，进行并发标记（不会STW），由-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=percent（默认45%）参数决定

4) Mixed Collection
会对E、S、O进行全面垃圾回收

• 最终标记（Remark）会STW
• 拷贝存回（Evacuation）会STW
  -XX:MaxGCPauseMillis=ms

Eden区幸存对象复制到Survivor区。另外的Survivor区不够年龄的对象也会复制到Survivor区，符合晋升条件的晋升到老年代。
G1垃圾回收器为了达到最大暂停时间的目标，有选择地回收垃圾最多的老年代区域。（如果最大暂停时间目标可以达到，会把所有的老年代进行回收。）

5) Full GC

• SerialGC
  • 新生代内存不足 - minor gc
  • 老年代内存不足 - full gc
• ParallelGC
  • 新生代内存不足 - minor gc
  • 老年代内存不足 - full gc
• CMS
  • 新生代内存不足 - minor gc
  • 老年代内存不足 （并发失败转成串行full gc）
• G1
  • 新生代内存不足 - minor gc
  • 老年代内存不足（垃圾回收的速度小于垃圾产生的速度，退化为串行full gc）

6) Young Collection 跨代引用

7) Remark

8) JDK 8u20 字符串去重

-XX:+UseStringDeduplication

• 优点：节省大量内存

• 缺点：略微占用cpu时间，新生代回收时间略微增加

• 将所有新分配的字符串放入一个队列

• 当新生代回收时，G1并发检查是否有字符串重复

• 如果它们值相同，让它们引用同同一个char[]

• 与String的intern()不同

  • intern()关注的是字符串对象
  • 字符串去重关注的是char[]
  • JVM内部使用了不同的字符串表

9) JDK 8u40 并发标记类卸载

-XX:+ClassUnloadingWithConcurrentMark 默认启用
所有对象经过并发标记后，就能知道哪些类不再被使用，当一个类加载器的所有类都不再使用，则卸载它所加载的所有类

10) JDK 8u60 回收巨型对象

• 一个对象大于region的一半时，称为巨型对象
• G1不会对巨型对象进行拷贝
• 回收时被优先考虑
• G1会跟踪老年代所有incoming引用，这样老年代incoming引用为0的巨型对象就可以在新生代垃圾回收时处理掉

11) JDK 9并发标记起始时间的调整

• 并发标记必须在堆空间占满前完成，否则退化为Full GC
• JDK 9 之前需要使用-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent
• JDK 9 可以动态调整
  • -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent用来设置初始值
  • 进行数据采样并动态调整
  • 总会添加一个安全的空档空间

5.垃圾回收调优

5.1 调优领域

• 内存
• 锁竞争
• cpu占用
• io

5.2 确定目标

• 【低延迟】还是【高吞吐量】，选择合适回收器
• CMS，G1，ZGC
• ParallelGC

5.3 最快的GC是不发生GC

• 查看FullGC前后的内存占用，考虑下面几个问题
  • 数据是否太多？
  • 数据表示是否太臃肿？
    • 对象图
    • 对象大小
  • 是否内存泄露？
    • 第三方缓存实现
    • 软引用
    • 弱引用

5.4 新生代调优

• 新生代特点
  • 所有的new操作的内存分配非常廉价
    • TLAB thread-local allocation buffer
  • 死亡对象的回收代价为零
  • 大部分对象用过即死
  • Minor GC的时间远远低于Full GC

越大越好吗？

-Xmn 设置新生代初始和最大大小

如果太小，会触发多次minor gc
如果太大，只触发full gc，暂停时间很长
建议新生代占整个堆大小25%~50%

新生代能容纳所有【并发量 * （请求-响应）】的数据
幸存区达到能保留【当前活跃对象+需要晋升对象】（如果太小，JVM动态调整晋升阈值，可能会把存活时间小的对象晋升到老年代，只有等到full gc时才能将其回收）
晋升阈值配置得当，让长时间存活对象尽快晋升（-XX:MaxTenuringThreshold=threshold，-XX:PrintTenuringDistribution）

5.5 老年代调优

CMS为例

• CMS的老年代内存越大越好
• 先尝试不做调优，如果没有Full GC，说明系统工作比较正常，否则先尝试调优新生代
• 观察发生Full GC时老年代内存占用，将老年代内存预设调大1/4 ~ 1/3
  • -XX:CMSInitiationOccupancyFraction=precent