深入理解Java虚拟机（二）——垃圾回收器

一、垃圾回收 1. JVM中会在以下情况触发垃圾回收

• 对象没有被引用

• 作用域发生未捕捉异常

• 程序正常执行完毕

• 程序执行了System.exit()

• 程序发生意外终止

2. 如何确定对象为垃圾对象？

• 引用计数法：此方法无法解决两个对象之间循环引用问题

• 可达性分析：图的遍历，基本思路：

  • 可达性分析算法是以根对象集合GCRoots为起始点，按照从上至下方式搜索被根对象集合所连接的目标对象是否可达
  • 使用可达性分析算法后，内存中的存活对象都会被根对象集合直接或间接连接着，搜索所走过的路径称为引用链Reference Chain
  • 如果目标对象没有任何引用链相连，则是不可达的，就意味着该对象己经死亡，可以标记为垃圾对象
  • 在可达性分析算法中，只有能够被根对象集合直接或者间接连接的对象才是存活对象

  哪些元素可以作为GCRoots？

  • 虚拟机栈中引用的对象

    比如：各个线程被调用的方法中使用到的参数、局部变量等

  • 本地方法栈内JNI（通常说的本地方法）引用的对象

  • 方法区中类静态属性引用的对象

    比如：字符串常量池（StringTable）里的引用

  • 所有被同步锁synchronized持有的对象

  • Java虚拟机内部的引用

    基本数据类型对应的Class对象，一些常驻的异常对象（如：NullPointerException、OutofMemoryError），系统类加载器

3. 垃圾回收区域

垃圾回收器可以对年轻代回收，也可以对老年代回收，甚至是全堆和方法区的回收。其中，Java堆是垃圾收集器的工作重点。从次数上讲：频繁收集Young区，较少收集Old区，基本不动Perm区

4. 垃圾收集算法 1. 引用计数法

对每个对象保存一个整型的引用计数器属性，用于记录对象被引用的情况。

对于一个对象A，只要有任何一个对象引用了A，则A的引用计数器就加1，当引用失效时，引用计数器就减1，只要对象A的引用计数器的值为0，即表示对象A不可能再被使用，可进行回收

• 优点：实现简单，垃圾对象便于辨识，判定效率高，回收没有延迟性
• 缺点：
  • 它需要单独的字段存储计数器，这样的做法增加了存储空间的开销
  • 每次赋值都需要更新计数器，伴随着加法和减法操作，这增加了时间开销
  • 引用计数器有一个严重的问题，即无法处理循环引用的情况。这是一条致命缺陷导致在Java的垃圾回收器中没有使用这类算法

2. 复制算法

复制算法：该算法是从根集合扫描，并将存活的对象复制到新的空间，这种算法在存活对象少时比较高效。

• 优点
  • 没有标记和清除过程，实现简单，运行高效
  • 复制过去以后保证空间的连续性，不会出现碎片问题
• 缺点
  • 此算法的缺点也是很明显的，就是需要两倍的内存空间
  • 对于G1这种分拆成为大量region的GC，复制而不是移动，意味着GC需要维护region之间对象引用关系，不管是内存占用或者时间开销也不小

如果系统中的垃圾对象很多，复制算法不会很理想，因为复制算法需要复制的存活对象数量并不会太大，或者说非常低才行。

3. 标记-清除算法

标记 - 清除算法（Mark-Sweep）：该算法是从根集合扫描整个空间，标记存活的对象，然后在扫描整个空间对没有被标记的对象进行回收。这种算法在存活对象较多时比较高效，但会产生内存碎片，缺点：

• 效率不算高
• 在进行GC的时候，需要停止整个应用程序，导致用户体验差
• 这种方式清理出来的空闲内存是不连续的，产生内存碎片，需要维护一个空闲列表

4. 标记-压缩算法

标记 - 压缩算法（Mark-Compress）：标记整理算法和标记清除算法一样都会扫描并标记存活对象，在回收未标记对象的同时会整理被标记的对象，解决了内存碎片的问题

• 执行过程
  • 第一阶段和标记清除算法一样从根节点开始标记所有被引用对象
  • 第二阶段将所有的存活对象压缩到内存的一端，按顺序排放
  • 之后，清理边界外所有的空间

标记-压缩算法的最终效果等同于标记-清除算法执行完成后，再进行一次内存碎片整理，因此，也可以把它称为标记-清除-压缩（Mark-Sweep- Compact）算法

二者的本质差异在于标记-清除算法是一种非移动式的回收算法，标记-压缩是移动式的。是否移动回收后的存活对象是一项优缺点并存的风险决策

5. 三种算法对比 标记-清除标记-压缩复制算法速度中等最慢最快空间开销少（但会堆积碎片）少（不堆积碎片）通常需要活对象的2倍大小（不堆积碎片）移动对象否是是

• 效率上来说，复制算法是当之无愧的老大，但是却浪费了太多内存
• 而为了尽量兼顾上面提到的三个指标，标记-整理算法相对来说更平滑一些，但是效率上不尽如人意，它比复制算法多了一个标记的阶段，比标记-清除多了一个整理内存的阶段。

5. 分代收集

JVM中，不同的内存区域作用和性质不一样，使用的垃圾回收算法也不一样，所以JVM中又定义了几种不同的垃圾回收器，图中连线代表两个回收器可以同时使用：

新生代收集器：Serial、ParNew、Parallel Scavenge

老年代收集器：Serial Old、Parallel Old、CMS

整堆收集器：G1

上图说明：

• 两个收集器有连线，表明它们可以搭配使用： Serial/Serial Old、Serial/CMS、ParNew/Serial Old、ParNew/CMS、ParallelScavenge/Serial Old、Parallel Scavenge/Parallel Old、G1
  • （红色虚线）由于维护和兼容性测试的成本，在JDK8时将Serial+CMS ParNew+Serial Old这两个组合声明为废弃，并在JDK9中完全取消了这些组合的支持，即移除。
• （绿色虚线）JDK14中弃用ParallelScavenge和Serial0ldGC组合
  • （青色虚线）JDKI14中删除CMS垃圾回收器

1. Serial GC

Serial GC。从名字上看，串行GC意味着是一种单线程的，所以它要求收集的时候所有的线程暂停（Stop The World）。这对于高性能的应用是不合理的，所以串行GC一般用于Client模式的JVM中。（过时）

2. ParNew GC

ParNew GC。并行回收器。是在SerialGC的基础上，增加了多线程机制。但是如果机器是单CPU的，这种收集器是比SerialGC效率低的。

Par是Parallel的缩写，New表示只能处理新生代

ParNew收集器除了采用并行回收的方式执行内存回收外，两款垃圾收集器之间几乎没有任何区别

ParNew收集器在年轻代中同样也是采用复制算法、Stop-the-World机制

ParNew是很多JVM运行在Server模式下新生代的默认垃圾收集器

对于新生代，回收次数频繁，使用并行方式高效

对于老年代，回收次数少，使用串行方式节省资源。（CPU并行需要切换线程，串行可以省去切换线程的资源）

3. Parrallel Scavenge GC

Parrallel Scavenge GC。这种收集器又叫吞吐量优先收集器，而吞吐量 = 程序运行时间/（JVM执行回收的时间+程序运行时间）。假设程序运行了100分钟，JVM的垃圾回收占用1分钟，那么吞吐量就是99%。Parallel Scavenge GC由于可以提供比较不错的吞吐量，所以被作为了server模式JVM的默认配置。

4. Parallel Old GC

ParallelOld是老生代并行收集器的一种，使用了标记整理算法，是JDK1.6中引进的，在之前老生代只能使用串行回收收集器。

5. Serial Old GC

Serial Old是老生代client模式下的默认收集器，单线程执行，同时也作为CMS收集器失败后的备用收集器。（过时）

6. CMS GC

CMS（Concurrent-Mark-Sweep）又称响应时间优先回收器，使用标记清除算法，并且也会stop-the-world。它的回收线程数为(CPU核心数+3)/4，所以当CPU核心数为2时比较高效些。CMS分为4个过程：初始标记、并发标记、重新标记、并发清除。

在JDK14中，删除了CMS垃圾回收器

7. G1 GC

GarbageFirst（G1）。比较特殊的是G1回收器既可以回收Young Generation，也可以回收Tenured Generation。它是在JDK6的某个版本中才引入的，性能比较高，同时注意了吞吐量和响应时间。

对于垃圾收集器的组合使用可以通过下表中的参数指定：

指定方式新生代GC方式老年代GC方式-XX:+UseSerialGC串行GC串行GC-XX:+UseParallelGC并行GC并行GC-XX:+UseConcMarkSweepGC并行GC并发GC-XX:+UseParNewGC并行GC串行GC-XX:+UseParallelOldGC并行GC并行GC-XX:+UseConcMarkSweepGC-XX:+UseParNewGC串行GC并发GC

默认的GC种类可以通过jvm.cfg或者通过jmap dump出heap来查看，一般我们通过jstat -gcutil [pid] 1000可以查看每秒gc的大体情况，或者可以在启动参数中加入：-verbose:gc -XX:+PrintGCTimeStamps -XX:+PrintGCDetails -Xloggc:./gc.log来记录GC日志。

8. 垃圾回收器总结 垃圾收集器分类作用位置使用算法特点Serial串行运行新生代复制算法响应速度优先ParNew并行运行新生代复制算法响应速度优先Parallel并行运行新生代复制算法吞吐量优先Serial Old串行运行老年代标记-压缩算法响应速度优先Parallel Old并行运行老年代标记-压缩算法吞吐量优先CMS并发运行老年代标记-清除算法响应速度优先G1并发、并行运行新生代、老年代标记-压缩算法复制算法响应速度优先 二、GC日志 1. 开启GC日志

• -XX:+PrintGC

输出GC日志。类似：-verbose:gc

• -XX:+PrintgcDetails

输出GC的详细日志

• -xX:+PrintGCTimeStamps

输出GC的时间戳，以基准时间的形式

• -xx:+PrintGCDatestamps

输出GC的时间，以日期的形式，如2021-12-26T21:53:59234+0800

• -XX:+PrintHeapAtGo

在进行GC的前后打印出堆的信息

• -Xloggc:./logs/gc.log

日志文件的输出路径

2. GC日志分析 1. verbose:gc

• 打开GC日志：-verbose:gc

• 查看GC内容：

• GC内容解析

  • GC、Full GC：GC的类型，GC只在新生代上进行，Full GC包括永生代， 新生代， 老年代

  • Allocation Failure：GC发生的原因

  • 80832K->19298K：堆在GC前的大小和GC后的大小。228840k: 现在堆的总大小

  • 0.0084018 secs：GC持续的时间

2. -XX:PrintGCDetails

• 打开GC日志：-verbose:gc -XX:PrintGCDetails
• 查看GC内容：

• GC内容解析
  • GC，Full FC：同样是GC的类型
  • Allocation Failure：GC原因
  • PSYoungGen：使用了Parallel Scavenge并行垃圾收集器的新生代GC前后大小的变化
  • ParoldGen：使用ParallelOld并行垃圾收集器的老年代GC前后大小的变化
  • Metaspace：元空间GC前后大小的变化，JDK1.8中引入了元空间以替代永久代
  • xxx secs：指GC花费的时间
  • Times:user：指的是垃圾收集器花费的所有CPU时间，sys花费在等待系统调用或系统事件的时间， real表示GC从开始到结束的时间，包括其他进程占用时间片的实际时间

3. 日志补充说明

• [GC和[Full GC说明了这次垃圾收集的停顿类型，如果有Full则说明GC发生了Stop The World
• 使用Serial收集器在新生代的名字是DefaultNewGeneration，因此显示的是[DefNew
• 使用ParNew收集器在新生代的名字会变成[ParNew，意思是Parallel New Generation
• 使用ParallelScavenge收集器在新生代的名字是[PSYoungGen
• 老年代的收集和新生代道理一样，名字也是收集器决定的
• 使用G1收集器的话，会显示为garbage-first heap
• Allocation Failure表明本次引起GC的原因是因为在年轻代中没有足够的空间能存储新的数据了
• [PSYoungGen:5986K->696K(8704K)]5986K->704K(9216K)中括号内：GC回收前年轻代大小，回收后大小，(年轻代总大小) 括号外:GC回收前年轻代和老年代大小，回收后大小，(年转代和老年代总大小)
• user代表用户态回收耗时，sys内核态回收耗时，real实际耗时。由于多核的原因，时间总和可能会超过real时间

4. Minor GC日志

5. Full GC 日志