原创

Java JVM垃圾回收与内存分配策略

常见问题:

  • 如何判断对象是否死亡(两种方法引用技术、可达性分析法)。
  • 简单的介绍一下强引用、软引用、弱引用、虚引用(虚引用与软引用和弱引用的区别、使用软引用能带来的好处)。
  • 如何判断一个常量是废弃常量
  • 如何判断一个类是无用的类
  • 垃圾收集有哪些算法,各自的特点?(4种)
  • HotSpot 为什么要分为新生代和老年代?
  • 常见的垃圾回收器有那些?
  • 介绍一下 CMS,G1 收集器。
  • Minor Gc 和 Full GC 有什么不同呢?

1. 如何判断对象是否已死

1.1 引用计数算法

引用计数(Reference Counting):给对象添加一个引用计数器,每当有一个地方引用他,计数器值就加1,当引用失效时,计数器值就减1。

优点:简单高效。
缺点:难以解决对象之间的循环引用。objA.instance = objB,objB.instance = objA。

1.2 可达性分析法

可达性分析法(Reachability Analysis):这个算法的基本思想就是通过一系列的称为 “GC Roots” 的对象作为起点,从这些节点开始向下搜索,节点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的话(图中就是从GC Roots到这个对象[objeact5、objeact6、objeact7]不可达),则证明此对象是不可用的。

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GC Roots 的节点主要是在全局性的引用(如常量或者类静态属性)执行上下文(如栈帧中的本地变量表)中。

在Java中可作为 GC Roots 的对象有一下4种类:

  1. 虚拟机栈(栈帧中的本地变量表)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。

1.3 引用

无论是通过引用计数法判断对象引用数量,还是通过可达性分析法判断对象的引用链是否可达,判定对象的存活都与“引用”有关。

JDK1.2 之前,Java 中引用的定义很传统:如果 reference 类型的数据存储的数值代表的是另一块内存的起始地址,就称这块内存代表一个引用。

JDK1.2 以后,Java 对引用的概念进行了扩充,将引用分为强引用、软引用、弱引用、虚引用四种(引用强度逐渐减弱)

1.强引用(StrongReference)

以前我们使用的大部分引用实际上都是强引用,这是使用最普遍的引用。如果一个对象具有强引用,那就类似于必不可少的生活用品,垃圾回收器绝不会回收它。当内存空间不足,Java 虚拟机宁愿抛出 OutOfMemoryError 错误,使程序异常终止,也不会靠随意回收具有强引用的对象来解决内存不足问题。

2.软引用(SoftReference)

如果一个对象只具有软引用,那就类似于可有可无的生活用品。如果内存空间足够,垃圾回收器就不会回收它,如果内存空间不足了,就会回收这些对象的内存。只要垃圾回收器没有回收它,该对象就可以被程序使用。软引用可用来实现内存敏感的高速缓存。

软引用可以和一个引用队列(ReferenceQueue)联合使用,如果软引用所引用的对象被垃圾回收,JAVA 虚拟机就会把这个软引用加入到与之关联的引用队列中。

3.弱引用(WeakReference)

如果一个对象只具有弱引用,那就类似于可有可无的生活用品。弱引用与软引用的区别在于:只具有弱引用的对象拥有更短暂的生命周期。在垃圾回收器线程扫描它所管辖的内存区域的过程中,一旦发现了只具有弱引用的对象,不管当前内存空间足够与否,都会回收它的内存。不过,由于垃圾回收器是一个优先级很低的线程, 因此不一定会很快发现那些只具有弱引用的对象。

弱引用可以和一个引用队列(ReferenceQueue)联合使用,如果弱引用所引用的对象被垃圾回收,Java 虚拟机就会把这个弱引用加入到与之关联的引用队列中。

4.虚引用(PhantomReference)

"虚引用"顾名思义,就是形同虚设,与其他几种引用都不同,虚引用并不会决定对象的生命周期。如果一个对象仅持有虚引用,那么它就和没有任何引用一样,在任何时候都可能被垃圾回收。

虚引用主要用来跟踪对象被垃圾回收的活动

虚引用与软引用和弱引用的一个区别在于: 虚引用必须和引用队列(ReferenceQueue)联合使用。当垃圾回收器准备回收一个对象时,如果发现它还有虚引用,就会在回收对象的内存之前,把这个虚引用加入到与之关联的引用队列中。程序可以通过判断引用队列中是否已经加入了虚引用,来了解被引用的对象是否将要被垃圾回收。程序如果发现某个虚引用已经被加入到引用队列,那么就可以在所引用的对象的内存被回收之前采取必要的行动。

特别注意,在程序设计中一般很少使用弱引用与虚引用,使用软引用的情况较多,这是因为软引用可以加速 JVM 对垃圾内存的回收速度,可以维护系统的运行安全,防止内存溢出(OutOfMemory)等问题的产生

1.4 可达性分析算法不可达的对象是否非死不可

即使在可达性分析法中不可达的对象,也并非是“非死不可”的,这时候它们暂时处于“缓刑阶段”,要真正宣告一个对象死亡,至少要经历两次标记(标记:对象与GC Roots没有相应的引用链)过程;可达性分析法中不可达的对象被第一次标记并且进行一次筛选(即第一次筛选对象与GC Roots没有相应的引用链就是被标记进行筛选),筛选的条件是此对象是否有必要执行 finalize 方法。当对象没有覆盖 finalize 方法,或 finalize 方法已经被虚拟机调用过时,虚拟机将这两种情况视为没有必要执行。

被判定为需要执行 finalize方法 的对象将会被放在 F-Queue 队列中进行第二次标记,创建一个Finalizer线程去执行。会调用重写的finalize()方法(只会被系统调用一次),finalize方法中除非这个对象与引用链上的任何一个对象建立关联,否则就会被真的回收。finalize()方法是对象逃脱死亡命运的第二次也是最后一次机会

1.5 方法区的回收

方法区(永久代)主要回收两部分内容:废弃常量无用的类

如果没有String对象引用常量池的字符串,则字符串就是“废弃常量”。假如在常量池中存在字符串 "abc",如果当前没有任何 String 对象引用该字符串常量的话,就说明常量 "abc" 就是废弃常量,如果这时发生内存回收的话而且有必要的话,"abc" 就会被系统清理出常量池。

类需要同时满足下面 3 个条件才能算是 “无用的类”

  • 该类所有的实例都已经被回收,也就是 Java 堆中不存在该类的任何实例。
  • 加载该类的 ClassLoader 已经被回收。
  • 该类对应的 java.lang.Class 对象没有在任何地方被引用,无法在任何地方通过反射访问该类的方法。

虚拟机可以对满足上述 3 个条件的无用类进行回收,这里说的仅仅是“可以”,而并不是和对象一样不使用了就会必然被回收。虚拟机提供 -Xnoclassgc 参数控制,还可以使用 -verbose:class 及 -XX:+TraceClassLoading-XX:+TraceClassUnLoading 查看类加载与卸载信息。

2. 垃圾收集算法

  • 当前虚拟机的垃圾收集都采用分代收集算法
  • 新生代98%的对象都是朝生夕死,所以新生代采用复制算法,不会浪费多少空间,空间满还可以有老年代内存分配担保
  • 老年代没有人担保,所以老年代使用“标记 - 清理” 或者 “标记 - 清理”算法来进行回收

2.1 标记 - 清除算法

该算法分为“标记”和“清除”阶段:首先标记出所有需要回收的对象,在标记完成后统一回收所有被标记的对象。它是最基础的收集算法,后续的算法都是对其不足进行改进得到。

这种垃圾收集算法会带来两个明显的问题:

  1. 效率问题:标记和清除两个过程效率都不高。
  2. 空间问题:标记清除后会产生大量不连续的碎片,当有大对象需要分配时不得不触发另一次垃圾收集动作。

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2.2 复制算法

为了解决效率问题,“复制”收集算法出现了。它可以将内存分为大小相同的两块,每次使用其中的一块。当这一块的内存使用完后,就将还存活的对象复制到另一块去,然后再把使用的空间一次清理掉。

优点:实现简单,运行高效。每次的内存回收都是对整个半区进行回收,内存分配也不用考虑内存碎片的情况,只要移动堆顶指针,按顺序分配内存即可。
缺点:浪费一半内存

实际运用其实不需要1:1分配,虚拟机采用的是一块较大的 Eden 空间与两块小的 Survivor 空间(From Survivor、To Survivor)。HotSpot虚拟机默认 Eden 与Survivor 比为 8:1。新生代利用容量的90%(80% + 10%),所以复制算法只浪费了10%(From Survivor、To Survivor内存相同大小)。

当Survivor空间不足时,会进行Java JVM内存分配担保机制

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2.3 标记 - 整理算法

复制收集算法在对象存活率较高时就要进行较多的复制操作,效率比较低,而且如果不想浪费空间,就需要有额外空间担保,老年代没人担保,根据老年代的特点提出的一种标记算法,标记过程仍然与“标记-清除”算法一样,但后续步骤不是直接对可回收对象回收,而是让所有存活的对象向一端移动,然后直接清理掉端边界以外的内存。

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2.4 分代收集算法

当前虚拟机的垃圾收集都采用分代收集算法,这种算法没有什么新的思想,只是根据对象存活周期的不同将内存分为几块。一般将 java 堆分为新生代和老年代,这样我们就可以根据各个年代的特点选择合适的垃圾收集算法。

比如在新生代中,每次收集都会有大量对象死去,所以可以选择复制算法,只需要付出少量对象的复制成本就可以完成每次垃圾收集。而老年代的对象存活几率是比较高的,而且没有额外的空间对它进行分配担保,所以我们必须选择“标记-清除”或“标记-整理”算法进行垃圾收集。

延伸面试问题: HotSpot 为什么要分为新生代和老年代?
因为有的对象寿命长,有的对象寿命短。应该将寿命长的对象放在一个区,寿命短的对象放在一个区。不同的区采用不同的垃圾收集算法。寿命短的区清理频次高一点,寿命长的区清理频次低一点。提高效率。

3. HotSpot 的算法实现

这部分主要是 HotSpot虚拟机如何发起内存回收的问题,并不是如何回收,如何回收是下面说的垃圾收集器决定。

3.1 枚举根节点

GC Roots 的节点主要是在全局性的引用(如常量或者类静态属性)执行上下文(如栈帧中的本地变量表)中。现在方法区基本有上百兆,检索浪费时间,而且GC分析工作必须在一个能确保一致性(GC Roots不能在变化)的快照中进行(表现为整个分析和执行就想被冻结在一个时间点),导致GC进行时就必须停顿所有执行的java线程(Sun成为“Stop The World”)。

当前主流Java虚拟机都采用准确式GCHotSpot虚拟机使用一组名为OopMap的数据结构存放引用信息来直接知道哪个地方存放着引用对象,在类加载完成时,HotSpot就把对象内什么偏移量上是什么类型的数据计算出来,在JIT编译过程中,也会在特定位置记录下栈和寄存器中哪些位置是引用

OopMap{ ebx=Oop [16]=Oop oof=142 }

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3.2 安全点(Safepoint)

产生原因:在OopMap的协助下,虽然可以快速的完成 GC Roots 的枚举工作,但是如果对每条指令都记录一下的话,那就会需要大量的空间存储OopMap数据。而且GC时需要短暂的停顿时间,如在打游戏的突然GC停顿了下,那你就哭了。

安全点(Safepoint):HotSpot也没有为每条指令都生成 OopMap 来记录信息,只有在特定位置才记录这些信息。

程序执行时并非在所有地方都停顿下来等待GC,只有到达安全点后才能暂停

安全点的位置主要在:

  1. 方法临返回前/调用方法的call指令后.
  2. 循环的末尾.
  3. 可能抛出异常的地方.

GC让所有线程(不包括JNI[Java Native Interface]线程)都跑到安全点停下有 抢先式中断主动式中断。抢先式中断不需要代码配合,直接中断所有线程,如果线程为达到安全点,那么恢复线程,让他跑到安全点。主动式中断需要代码配合,需要中断时给线程设置一个标志,各线程主动轮询,发现中断标志就中断线程。由上面安全点位置我们知道,循环标志是安全点。

3.3 安全区域(Safe Region)

产生原因:安全点可以解决线程执行时,不太长的时候就会到达安全点。但是如果线程没有分配到CPU时间片(如sleep、blocked状态),那么就无法响应中断请求,此时需要安全区域来解决。

安全区域(Safe Region):指在一段代码中引用关系不会发生变化,在这个区域的任意地方开始都是线程安全的。

原理:在线程执行到安全区域中的代码时,首先标识自己已经进入了安全区域,这是JVM要发起GC时,就不需要考虑安全区域的线程。但是在线程离开安全区域时,要检查是否已经完成了根节点枚举(或者完成整个GC),如果完成了就继续执行代码,如果未完成就必须等待直到收到可以安全离开安全区域的信号为止。

4 垃圾收集器

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4.1 Serial 收集器

Serial(串行)收集器收集器是最基本、历史最悠久的垃圾收集器了。大家看名字就知道这个收集器是一个单线程收集器了。它的 “单线程” 的意义不仅仅意味着它只会使用一条垃圾收集线程去完成垃圾收集工作,更重要的是它在进行垃圾收集工作的时候必须暂停其他所有的工作线程( "Stop The World" ),直到它收集结束。它简单而高效(与其他收集器的单线程相比)。Serial 收集器由于没有线程交互的开销,自然可以获得很高的单线程收集效率。Serial 收集器对于运行在 Client 模式下的虚拟机来说是个不错的选择。

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4.2 ParNew 收集器

ParNew 收集器其实就是 Serial 收集器的多线程版本,除了使用多线程进行垃圾收集外,其余行为(控制参数、收集算法、回收策略等等)和 Serial 收集器完全一样。

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它是许多运行在 Server 模式下的虚拟机的首要选择,除了 Serial 收集器外,只有它能与 CMS 收集器(真正意义上的并发收集器,后面会介绍到)配合工作。

并行和并发概念补充:

  • 并行(Parallel) :指多条垃圾收集线程并行工作,但此时用户线程仍然处于等待状态。

  • 并发(Concurrent):指用户线程与垃圾收集线程同时执行(但不一定是并行,可能会交替执行),用户程序在继续运行,而垃圾收集器运行在另一个 CPU 上。

4.3 Parallel Scavenge 收集器

Parallel Scavenge 收集器关注点是吞吐量(高效率的利用 CPU)。CMS 等垃圾收集器的关注点更多的是用户线程的停顿时间(提高用户体验)。所谓吞吐量就是 CPU 中用于运行用户代码的时间与 CPU 总消耗时间的比值。

吞吐量:就是CPU用于运行用户代码时间 与 总消耗时间的比值。吞吐量 = 运行代码时间 / (运行代码时间 + GC时间)。

Parallel Scavenge 收集器提供了很多参数供用户找到最合适的停顿时间或最大吞吐量,如果对于收集器运作不太了解的话,手工优化存在困难的话可以选择把内存管理优化交给虚拟机去完成也是一个不错的选择。

4.4.Serial Old 收集器

Serial 收集器的老年代版本,它同样是一个单线程收集器。它主要有两大用途:一种用途是在 JDK1.5 以及以前的版本中与 Parallel Scavenge 收集器搭配使用,另一种用途是作为 CMS 收集器的后备方案。

4.5 Parallel Old 收集器

Parallel Scavenge 收集器的老年代版本。使用多线程和“标记-整理”算法。在注重吞吐量以及 CPU 资源的场合,都可以优先考虑 Parallel Scavenge 收集器和 Parallel Old 收集器。

4.6 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。它非常符合在注重用户体验的应用上使用。

CMS(Concurrent Mark Sweep)收集器是 HotSpot 虚拟机第一款真正意义上的并发收集器,它第一次实现了让垃圾收集线程与用户线程(基本上)同时工作。

从名字中的Mark Sweep这两个词可以看出,CMS 收集器是一种 “标记-清除”算法实现的,它的运作过程相比于前面几种垃圾收集器来说更加复杂一些。整个过程分为四个步骤:

  • 初始标记: 暂停所有的其他线程,并记录下直接与 root 相连的对象,速度很快 ;
  • 并发标记: 同时开启 GC 和用户线程,用一个闭包结构去记录可达对象。但在这个阶段结束,这个闭包结构并不能保证包含当前所有的可达对象。因为用户线程可能会不断的更新引用域,所以 GC 线程无法保证可达性分析的实时性。所以这个算法里会跟踪记录这些发生引用更新的地方。
  • 重新标记: 重新标记阶段就是为了修正并发标记期间因为用户程序继续运行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的时间稍长,远远比并发标记阶段时间短
  • 并发清除: 开启用户线程,同时 GC 线程开始对为标记的区域做清扫。

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优点并发收集、低停顿

三个明显的缺点

  • 对 CPU 资源敏感;并发阶段虽然不会导致用户线程停顿,但是会占用一下cpu资源导致程序变慢。
  • 无法处理浮动垃圾;由于垃圾不断产生,可能导致当次收集无法处理,等到下一次才能处理,这一部分就是浮动垃圾。
  • 它使用的回收算法-“标记-清除”算法会导致收集结束时会有大量空间碎片产生。上面介绍国标记清除算法的缺点。

4.7 G1 收集器

G1 (Garbage-First) 是一款面向服务器的垃圾收集器,主要针对配备多颗处理器及大容量内存的机器. 以极高概率满足 GC 停顿时间要求的同时,还具备高吞吐量性能特征.

被视为 JDK1.7 中 HotSpot 虚拟机的一个重要进化特征。它具备一下特点:

  • 并行与并发:G1 能充分利用 CPU、多核环境下的硬件优势,使用多个 CPU(CPU 或者 CPU 核心)来缩短 Stop-The-World 停顿时间。部分其他收集器原本需要停顿 Java 线程执行的 GC 动作,G1 收集器仍然可以通过并发的方式让 java 程序继续执行。
  • 分代收集:虽然 G1 可以不需要其他收集器配合就能独立管理整个 GC 堆,但是还是保留了分代的概念。
  • 空间整合:与 CMS 的“标记--清理”算法不同,G1 从整体来看是基于“标记整理”算法实现的收集器;从局部上来看是基于“复制”算法实现的。
  • 可预测的停顿:这是 G1 相对于 CMS 的另一个大优势,降低停顿时间是 G1 和 CMS 共同的关注点,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 M 毫秒的时间片段内。

G1 收集器在后台维护了一个优先列表,每次根据允许的收集时间,优先选择回收价值最大的 Region(这也就是它的名字 Garbage-First 的由来)。这种使用 Region 划分内存空间以及有优先级的区域回收方式,保证了 GF 收集器在有限时间内可以尽可能高的收集效率(把内存化整为零)。

G1 收集器的运作大致分为以下几个步骤:

  • 初始标记
  • 并发标记
  • 最终标记
  • 筛选回收

详细了解G1收集器:https://blog.csdn.net/coderlius/article/details/79272773

5. 内存分配与回收策略

5.1 对象优先在 Eden 分配

目前主流的垃圾收集器都会采用分代回收算法,因此需要将堆内存分为新生代和老年代,这样我们就可以根据各个年代的特点选择合适的垃圾收集算法。

大多数情况下,对象在新生代中 eden 区分配。当 eden 区没有足够空间进行分配时,虚拟机将发起一次 Minor GC.下面我们来进行实际测试以下。

Minor GC 和 Full GC 有什么不同呢?

  • 新生代 GC(Minor GC):指发生新生代的的垃圾收集动作,Minor GC 非常频繁,回收速度一般也比较快。
  • 老年代 GC(Major GC/Full GC):指发生在老年代的 GC,出现了 Major GC 经常会伴随至少一次的 Minor GC(并非绝对),Major GC 的速度一般会比 Minor GC 的慢 10 倍以上。

测试:

public class GCTest {

    public static void main(String[] args) {
        byte[] allocation1, allocation2;
        allocation1 = new byte[30900*1024];
        //allocation2 = new byte[900*1024];
    }
}

虚拟机添加的参数:-XX:+PrintGCDetails

运行结果 (红色字体描述有误,应该是对应于 JDK1.7 的永久代):
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从上图我们可以看出 eden 区内存几乎已经被分配完全(即使程序什么也不做,新生代也会使用 2000 多 k 内存)。假如我们再为 allocation2 分配内存会出现什么情况呢?

allocation2 = new byte[900*1024];

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简单解释一下为什么会出现这种情况: 因为给 allocation2 分配内存的时候 eden 区内存几乎已经被分配完了,我们刚刚讲了当 Eden 区没有足够空间进行分配时,虚拟机将发起一次 Minor GC.GC 期间虚拟机又发现 allocation1 无法存入 Survivor 空间,所以只好通过 分配担保机制 把新生代的对象提前转移到老年代中去,老年代上的空间足够存放 allocation1,所以不会出现 Full GC。执行 Minor GC 后,后面分配的对象如果能够存在 eden 区的话,还是会在 eden 区分配内存。可以执行如下代码验证:

public class GCTest {

    public static void main(String[] args) {
        byte[] allocation1, allocation2,allocation3,allocation4,allocation5;
        allocation1 = new byte[32000*1024];
        allocation2 = new byte[1000*1024];
        allocation3 = new byte[1000*1024];
        allocation4 = new byte[1000*1024];
        allocation5 = new byte[1000*1024];
    }
}

5.2 大对象直接进入老年代

大对象就是需要大量连续内存空间的对象(比如:字符串、数组)。

为什么要这样呢?

为了避免为大对象分配内存时由于分配担保机制带来的复制而降低效率。

虚拟机提供了 -XX:PretenureSizeThreshold 参数,设置值的对象直接在老年代分配的大小,如设置为-XX:PretenureSizeThreshold=3145728,则表示操作3MB的对象直接在老年代分配。

注意:这个参数只对 SerialParNew 两款收集器生效, Parallel Scavenge 收集器不认识这个参数。

5.3 长期存活的对象将进入老年代

既然虚拟机采用了分代收集的思想来管理内存,那么内存回收时就必须能识别哪些对象应放在新生代,哪些对象应放在老年代中。为了做到这一点,虚拟机给每个对象一个对象年龄(Age)计数器。

如果对象在 Eden 出生并经过第一次 Minor GC 后仍然能够存活,并且能被 Survivor 容纳的话,将被移动到 Survivor 空间中,并将对象年龄设为 1.对象在 Survivor 中每熬过一次 MinorGC,年龄就增加 1 岁,当它的年龄增加到一定程度(默认为 15 岁),就会被晋升到老年代中。对象晋升到老年代的年龄阈值,可以通过参数 -XX:MaxTenuringThreshold 来设置。

5.4 动态对象年龄判断

为了更好的适应不同程序的内存情况,虚拟机不是永远要求对象年龄必须达到了某个值才能进入老年代,如果 Survivor 空间中相同年龄所有对象大小的总和大于 Survivor 空间的一半,年龄大于或等于该年龄的对象就可以直接进入老年代,无需达到要求的年龄。

5.5 空间配分担保

具体查看之前文章:Java JVM内存分配担保机制

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