JVM系列之二：垃圾回收器（GC）

前言

        

    前面总结了下Android内存管理，现在来谈谈个人对JAVA 垃圾回收器（GC）的看法，以便以后好复习。

进入主题：

 一、垃圾收集算法的核心思想

　　Java语言建立了垃圾收集机制，用以跟踪正在使用的对象和发现并回收不再使用(引用)的对象。该机制可以有效防范动态内存分配中可能发生的两个危险：因内存垃圾过多而引发的内存耗尽，以及不恰当的内存释放所造成的内存非法引用。

　　垃圾收集算法的核心思想是：对虚拟机可用内存空间，即堆空间中的对象进行识别，如果对象正在被引用，那么称其为存活对象，反之，如果对象不再被引用，则为垃圾对象，可以回收其占据的空间，用于再分配。垃圾收集算法的选择和垃圾收集系统参数的合理调节直接影响着系统性能，因此需要开发人员做比较深入的了解。

 二、什么是Java垃圾回收器

   Java垃圾回收器是Java虚拟机(JVM)的三个重要模块(另外两个是解释器和多线程机制)之一，为应用程序提供内存的自动分配(Memory Allocation)、自动回收(Garbage Collect)功能，这两个操作都发生在Java堆上(一段内存快)。某一个时点，一个对象如果有一个以上的引用(Rreference)指向它，那么该对象就为活着的(Live)，否则死亡(Dead)，视为垃圾，可被垃圾回收器回收再利用。垃圾回收操作需要消耗CPU、线程、时间等资源，所以容易理解的是垃圾回收操作不是实时的发生(对象死亡马上释放)，当内存消耗完或者是达到某一个指标(Threshold,使用内存占总内存的比列，比如0.75)时，触发垃圾回收操作。有一个对象死亡的例外，java.lang.Thread类型的对象即使没有引用，只要线程还在运行，就不会被回收。

   三、Java（JVM）内存模型

   正如你从上面的图片看到的，JVM内存被分成多个独立的部分。广泛地说，JVM堆内存被分为两部分：—年轻代（Young Generation）和老年代（Old Generation）。

    年轻代

    年轻代是所有新对象产生的地方。当年轻代内存空间被用完时，就会触发垃圾回收。这个垃圾回收叫做Minor GC。年轻代被分为3个部分：—Enden区和两个Survivor区。

    年轻代空间的要点：

    大多数新建的对象都位于Eden区。
    当Eden区被对象填满时，就会执行Minor GC。并把所有存活下来的对象转移到其中一个survivor区。Minor GC同样会检查存活下来的对象，并把它们转移到另一个survivor区。这样在一段时间内，总会有一个空的survivor区。
经过多次GC周期后，仍然存活下来的对象会被转移到年老代内存空间。通常这是在年轻代有资格提升到年老代前通过设定年龄阈值来完成的。

    年老代

    年老代内存里包含了长期存活的对象和经过多次Minor GC后依然存活下来的对象。通常会在老年代内存被占满时进行垃圾回收。老年代的垃圾收集叫做Major GC。Major GC会花费更多的时间。

    Stop the World事件

    所有的垃圾收集都是“Stop the World”事件，因为所有的应用线程都会停下来直到操作完成（所以叫“Stop the World”）。

    因为年轻代里的对象都是一些临时（short-lived ）对象，执行Minor GC非常快，所以应用不会受到（“Stop the World”）影响。

    由于Major GC会检查所有存活的对象，因此会花费更长的时间。应该尽量减少Major GC。因为Major GC会在垃圾回收期间让你的应用反应迟钝，所以如果你有一个需要快速响应的应用发生多次Major GC，你会看到超时错误。

    垃圾回收时间取决于垃圾回收策略。这就是为什么有必要去监控垃圾收集和对垃圾收集进行调优。从而避免要求快速响应的应用出现超时错误。

    永久代

    永久代或者“Perm Gen”包含了JVM需要的应用元数据，这些元数据描述了在应用里使用的类和方法。注意，永久代不是Java堆内存的一部分。

    久代存放JVM运行时使用的类。永久代同样包含了Java SE库的类和方法。永久代的对象在full GC时进行垃圾收集。

    方法区
    方法区是永久代空间的一部分，并用来存储类型信息（运行时常量和静态变量）和方法代码和构造函数代码。

    内存池
    如果JVM实现支持，JVM内存管理会为创建内存池，用来为不变对象创建对象池。字符串池就是内存池类型的一个很好的例子。内存池可以属于堆或者永久代，这取决于JVM内存管理的实现。

    运行时常量池

    运行时常量池是每个类常量池的运行时代表。它包含了类的运行时常量和静态方法。运行时常量池是方法区的一部分。

    Java栈内存
    Java栈内存用于运行线程。它们包含了方法里的临时数据、堆里其它对象引用的特定数据。你可以阅读栈内存和堆内存的区别。

   Java 堆内存开关
   Java提供了大量的内存开关（参数），我们可以用它来设置内存大小和它们的比例。下面是一些常用的开关：

    VM 开关VM 开关描述

    -Xms                   设置JVM启动时堆的初始化大小。
    -Xmx                   设置堆最大值。
    -Xmn                   设置年轻代的空间大小，剩下的为老年代的空间大小。
    -XX:PermGen            设置永久代内存的初始化大小。
    -XX:MaxPermGen         设置永久代的最大值。
    -XX:SurvivorRatio      提供Eden区和survivor区的空间比例。比如，如果年轻代的大小为10m并且VM开关是-         -           -XX:SurvivorRatio=2    那么将会保留5m内存给Eden区和每个Survivor区分配2.5m内存。默认比例是8。
    -XX:NewRatio           提供年老代和年轻代的比例大小。默认值是2。

   大多数时候，上面的选项已经足够使用了。但是如果你还想了解其他的选项，那么请查看JVM选项官方网页。

  四、垃圾收集的算法分析

　　Java语言规范没有明确地说明JVM使用哪种垃圾回收算法，但是任何一种垃圾回收算法一般要做2件基本的事情：1.发现无用信息对象；2.回收被无用对象占用的内存空间，使该空间可被程序再次使用。

　　大多数垃圾回收算法使用了根集(root set)这个概念；所谓根集就是正在执行的Java程序可以访问的引用变量的集合(包括局部变量、参数、类变量)，程序可以使用引用变量访问对象的属性和调用对象的方法。垃圾回收首先需要确定从根开始哪些是可达的和哪些是不可达的，从根集可达的对象都是活动对象，它们不能作为垃圾被回收，这也包括从根集间接可达的对象。而根集通过任意路径不可达的对象符合垃圾收集的条件，应该被回收。下面介绍几个常用的算法。

　　1. 引用计数法(Reference Counting Collector)

　　引用计数法是唯一没有使用根集的垃圾回收的法，该算法使用引用计数器来区分存活对象和不再使用的对象。一般来说，堆中的每个对象对应一个引用计数器。当每一次创建一个对象并赋给一个变量时，引用计数器置为1。当对象被赋给任意变量时，引用计数器每次加1当对象出了作用域后(该对象丢弃不再使用)，引用计数器减1，一旦引用计数器为0，对象就满足了垃圾收集的条件。
　　基于引用计数器的垃圾收集器运行较快，不会长时间中断程序执行，适宜地必须实时运行的程序。但引用计数器增加了程序执行的开销，因为每次对象赋给新的变量，计数器加1，而每次现有对象出了作用域生，计数器减1。

　　2.tracing算法(Tracing Collector)

　　tracing算法是为了解决引用计数法的问题而提出，它使用了根集的概念。基于tracing算法的垃圾收集器从根集开始扫描，识别出哪些对象可达，哪些对象不可达，并用某种方式标记可达对象，例如对每个可达对象设置一个或多个位。在扫描识别过程中，基于tracing算法的垃圾收集也称为标记和清除(mark-and-sweep)垃圾收集器

　　3.compacting算法(Compacting Collector)

　　为了解决堆碎片问题，基于tracing的垃圾回收吸收了Compacting算法的思想，在清除的过程中，算法将所有的对象移到堆的一端，堆的另一端就变成了一个相邻的空闲内存区，收集器会对它移动的所有对象的所有引用进行更新，使得这些引用在新的位置能识别原来的对象。在基于Compacting算法的收集器的实现中，一般增加句柄和句柄表。

　　4.copying算法(Coping Collector)

　　该算法的提出是为了克服句柄的开销和解决堆碎片的垃圾回收。它开始时把堆分成一个对象区和多个空闲区，程序从对象区为对象分配空间，当对象满了，基于coping算法的垃圾回收就从根集中扫描活动对象，并将每个活动对象复制到空闲区(使得活动对象所占的内存之间没有空闲间隔)，这样空闲区变成了对象区，原来的对象区变成了空闲区，程序会在新的对象区中分配内存。
　　一种典型的基于coping算法的垃圾回收是stop-and-copy算法，它将堆分成对象区和空闲区域区，在对象区与空闲区域的切换过程中，程序暂停执行。

　　5.generation算法(Generational Collector)

　　stop-and-copy垃圾收集器的一个缺陷是收集器必须复制所有的活动对象，这增加了程序等待时间，这是coping算法低效的原因。在程序设计中有这样的规律：多数对象存在的时间比较短，少数的存在时间比较长。因此，generation算法将堆分成两个或多个，每个子堆作为对象的一代 (generation)。由于多数对象存在的时间比较短，随着程序丢弃不使用的对象，垃圾收集器将从最年轻的子堆中收集这些对象。在分代式的垃圾收集器运行后，上次运行存活下来的对象移到下一最高代的子堆中，由于老一代的子堆不会经常被回收，因而节省了时间。

　　6.adaptive算法(Adaptive Collector)

　　在特定的情况下，一些垃圾收集算法会优于其它算法。基于Adaptive算法的垃圾收集器就是监控当前堆的使用情况，并将选择适当算法的垃圾收集器。

   五、Java垃圾回收过程简介

   Java垃圾回收会找出没用的对象，把它从内存中移除并释放出内存给以后创建的对象使用。Java程序语言中的一个最大优点是自动垃圾回收，不像其他的程序语言那样需要手动分配和释放内存，比如C，C++语言，当然自己主动回收也有不好的地方。

    垃圾收集器是一个后台运行程序。它管理着内存中的所有对象并找出没被引用的对象。所有的这些未引用的对象都会被删除，回收它们的空间并分配给其他对象。

     一个基本的垃圾回收过程涉及三个步骤：

     1.标记：这是第一步。在这一步，垃圾收集器会找出哪些对象正在使用和哪些对象不在使用。
     2.正常清除：垃圾收集器清会除不在使用的对象，回收它们的空间分配给其他对象。
     3.压缩清除：为了提升性能，压缩清除会在删除没用的对象后，把所有存活的对象移到一起。这样可以提高分配新对象的效率。
    简单标记和清除方法存在两个问题：

    1.效率很低。因为大多数新建对象都会成为“没用对象”。
    2.经过多次垃圾回收周期的对象很有可能在以后的周期也会存活下来。
   上面简单清除方法的问题在于Java垃圾收集的分代回收的，而且在堆内存里有年轻代和年老代两个区域。我已经在上面解释了Minor GC和Major GC是怎样扫描对象，以及如何把对象从一个分代空间移到另外一个分代空间。

   六、Java垃圾回收类型

   这里有五种可以在应用里使用的垃圾回收类型。仅需要使用JVM开关就可以在我们的应用里启用垃圾回收策略。让我们一起来逐一了解：

    Serial GC（-XX:+UseSerialGC）

     Serial GC使用简单的标记、清除、压缩方法对年轻代和年老代进行垃圾回收，即Minor GC和Major GC。Serial GC在client模式（客户端模式）很有用，比如在简单的独立应用和CPU配置较低的机器。这个模式对占有内存较少的应用很管用。

    Parallel GC（-XX:+UseParallelGC）

    除了会产生N个线程来进行年轻代的垃圾收集外，Parallel GC和Serial GC几乎一样。这里的N是系统CPU的核数。我们可以使用 -XX:ParallelGCThreads=n 这个JVM选项来控制线程数量。并行垃圾收集器也叫throughput收集器。因为它使用了多CPU加快垃圾回收性能。Parallel GC在进行年老代垃圾收集时使用单线程。

    Parallel Old GC（-XX:+UseParallelOldGC）

    和Parallel GC一样。不同之处，Parallel Old GC在年轻代垃圾收集和年老代垃圾回收时都使用多线程收集。
并发标记清除（CMS）收集器。

   （-XX:+UseConcMarkSweepGC)

    CMS收集器也被称为短暂停顿并发收集器。它是对年老代进行垃圾收集的。CMS收集器通过多线程并发进行垃圾回收，尽量减少垃圾收集造成的停顿。CMS收集器对年轻代进行垃圾回收使用的算法和Parallel收集器一样。这个垃圾收集器适用于不能忍受长时间停顿要求快速响应的应用。可使用 -XX:ParallelCMSThreads=n JVM选项来限制CMS收集器的线程数量。

    G1垃圾收集器（-XX:+UseG1GC) G1（Garbage First）

    垃圾收集器是在Java 7后才可以使用的特性，它的长远目标时代替CMS收集器。G1收集器是一个并行的、并发的和增量式压缩短暂停顿的垃圾收集器。G1收集器和其他的收集器运行方式不一样，不区分年轻代和年老代空间。它把堆空间划分为多个大小相等的区域。当进行垃圾收集时，它会优先收集存活对象较少的区域，因此叫“Garbage First”。你可以在Oracle Garbage-FIrst收集器文档找到更多详细信息。

 七、触发主GC(Garbage Collector)的条件

  JVM进行次GC的频率很高,但因为这种GC占用时间极短,所以对系统产生的影响不大。更值得关注的是主GC的触发条件,因为它对系统影响很明显。总的来说,有两个条件会触发主GC:

　  1.当应用程序空闲时,即没有应用线程在运行时,GC会被调用。因为GC在优先级最低的线程中进行,所以当应用忙时,GC线程就不会被调用,但以下条件除外。

  　2.Java堆内存不足时,GC会被调用。当应用线程在运行,并在运行过程中创建新对象,若这时内存空间不足,JVM就会强制地调用GC线程,以便回收内存用于新的分配。若GC一次之后仍不能满足内存分配的要求,JVM会再进行两次GC作进一步的尝试,若仍无法满足要求,则 JVM将报“Out Of Memory”的错误,Java应用将停止。

　　由于是否进行主GC由JVM根据系统环境决定,而系统环境在不断的变化当中,所以主GC的运行具有不确定性,无法预计它何时必然出现,但可以确定的是对一个长期运行的应用来说,其主GC是反复进行的。

  八、减少GC开销的措施

　　根据上述GC的机制,程序的运行会直接影响系统环境的变化,从而影响GC的触发。若不针对GC的特点进行设计和编码,就会出现内存驻留等一系列负面影响。为了避免这些影响,基本的原则就是尽可能地减少垃圾和减少GC过程中的开销。具体措施包括以下几个方面:

　　1.不要显式调用System.gc()

　　此函数建议JVM进行主GC,虽然只是建议而非一定,但很多情况下它会触发主GC,从而增加主GC的频率,也即增加了间歇性停顿的次数。

　　2.尽量减少临时对象的使用

　　临时对象在跳出函数调用后,会成为垃圾,少用临时变量就相当于减少了垃圾的产生,从而延长了出现上述第二个触发条件出现的时间,减少了主GC的机会，对于量对象的产生，尤其在游戏中，比如子弹，最好用对象池来管理！

　　3.对象不用时最好显式置为Null

　　一般而言,为Null的对象都会被作为垃圾处理,所以将不用的对象显式地设为Null,有利于GC收集器判定垃圾,从而提高了GC的效率。

　　4.尽量使用StringBuffer,而不用String来累加字符串

　　由于String是固定长的字符串对象,累加String对象时,并非在一个String对象中扩增,而是重新创建新的String对象,如 Str5=Str1+Str2+Str3+Str4,这条语句执行过程中会产生多个垃圾对象,因为对次作“+”操作时都必须创建新的String对象,但这些过渡对象对系统来说是没有实际意义的,只会增加更多的垃圾。避免这种情况可以改用StringBuffer来累加字符串,因StringBuffer 是可变长的,它在原有基础上进行扩增,不会产生中间对象。

　　5.能用基本类型如int,long,就不用Integer,Long对象

　　基本类型变量占用的内存资源比相应对象占用的少得多,而且系统回收的快，如果没有必要,最好使用基本变量。

　　6.尽量少用静态对象变量

　　静态变量属于全局变量,不会被GC回收,它们会一直占用内存。

　　7.分散对象创建或删除的时间

　　集中在短时间内大量创建新对象,特别是大对象,会导致突然需要大量内存,JVM在面临这种情况时,只能进行主GC,以回收内存或整合内存碎片, 从而增加主GC的频率。集中删除对象,道理也是一样的。它使得突然出现了大量的垃圾对象,空闲空间必然减少,从而大大增加了下一次创建新对象时强制主GC 的机会。

  九、关于垃圾回收的问题

  1.简述 java 中的垃圾回收

   GC 是垃圾收集的意思（Gabage Collection）,内存处理是编程人员容易出现问题的地方，忘记或者错误的内存回收会导致程序或系统的不稳定甚至崩溃，Java 提供的 GC 功能可以自动监测对象是否超过作用域从而达到自动回收内存的目的，Java 语言没有提供释放已分配内存的显示操作方法。 Java 程序员不用担心内存管理，因为垃圾收集器会自动进行管理。要请求垃圾收集，可以调用下面的方法：System.gc() 或Runtime.getRuntime().gc()。

   2.什么是垃圾回收？什么时候触发垃圾回收？如何降低垃圾回收的触发频率？它能保证程序有足够的可用内存吗？

  垃圾回收(GC)是 Java 语言的一个重要特性，作用是释放不再被使用的内存。垃圾回收由系统进行管理。在系统认为需要的时候自动启动一个线程进行处理。尽量减少垃圾内存，也就是新建对象，的数量，可以降低垃圾回收的频率。垃圾回收机制无法保证有足够的内存。

  3.java 中会存在内存泄露吗？请简单描述。

  内存泄露是指系统中存在无法回收的内存，有时候会造成内存不足或系统崩溃。Java 存在内存泄露。Java 中的内存泄露当然是指：存在无用但是垃圾回收器无法回收的对象。而且即使有内存泄露问题存在，也不一定会表现出来。自己实现堆栈的数据结构时有可能会出现内存泄露。

  最后的最后

   文章的大多内容是参考别的文章，然后进行归纳总结，以便自己以后好复习。