JVM垃圾回收--年轻代、年老点和持久代

原文链接： https://www.cnblogs.com/williamjie/p/9497906.html

关键字约定

 

• Young generation –>新生代
• Tenured / Old Generation –>老年代
• Perm Area –>永久代

 

年轻代:

　　所有新生成的对象首先都是放在年轻代的。年轻代的目标就是尽可能快速的收集掉那些生命周期短的对象。年轻代分三个区。一个Eden区，两个 Survivor区(一般而言)。大部分对象在Eden区中生成。当Eden区满时，还存活的对象将被复制到Survivor区（两个中的一个），当这个 Survivor区满时，此区的存活对象将被复制到另外一个Survivor区，当这个Survivor去也满了的时候，从第一个Survivor区复制过来的并且此时还存活的对象，将被复制“年老区(Tenured)”。需要注意，Survivor的两个区是对称的，没先后关系，所以同一个区中可能同时存在从Eden复制过来对象，和从前一个Survivor复制过来的对象，而复制到年老区的只有从第一个Survivor去过来的对象。而且，Survivor区总有一个是空的。同时，根据程序需要，Survivor区是可以配置为多个的（多于两个），这样可以增加对象在年轻代中的存在时间，减少被放到年老代的可能。

　　年老代:

　　在年轻代中经历了N次垃圾回收后仍然存活的对象，就会被放到年老代中。因此，可以认为年老代中存放的都是一些生命周期较长的对象。

　　持久代:

　　用于存放静态文件，如今Java类、方法等。持久代对垃圾回收没有显著影响，但是有些应用可能动态生成或者调用一些class，例如Hibernate 等，在这种时候需要设置一个比较大的持久代空间来存放这些运行过程中新增的类。持久代大小通过-XX:MaxPermSize=进行设置。

 

重要的东东

• 在Java中，对象实例都是在堆上创建。一些类信息，常量，静态变量等存储在方法区。堆和方法区都是线程共享的。
• GC机制是由JVM提供，用来清理需要清除的对象，回收堆内存。
• GC机制将Java程序员从内存管理中解放了出来，可以更关注于业务逻辑。
• 在Java中，GC是由一个被称为垃圾回收器的守护线程执行的。
• 在从内存回收一个对象之前会调用对象的finalize()方法。
• 作为一个Java开发者不能强制JVM执行GC；GC的触发由JVM依据堆内存的大小来决定。
• System.gc()和Runtime.gc()会向JVM发送执行GC的请求，但是JVM不保证一定会执行GC。
• 如果堆没有内存创建新的对象了，会抛出OutOfMemoryError。

GC针对什么对象？

 

了解GC机制的第一步就是理解什么样的对象会被回收。当一个对象通过一系列根对象(比如：静态属性引用的常量)都不可达时就会被回收。简而言之，当一个对象的所有引用都为null。循环依赖不算做引用，如果对象A有一个指向对象B的引用，对象B也有一个指向对象A的引用，除此之外，它们没有其他引用，那么对象A和对象B都、需要被回收(如下图,ObjA和ObjB需要被回收)。
GC回收对象

堆内存是如何划分的？

Java中对象都在堆上创建。为了GC，堆内存分为三个部分，也可以说三代，分别称为新生代，老年代和永久代。其中新生代又进一步分为Eden区，Survivor 1区和Survivor 2区(如下图)。新创建的对象会分配在Eden区,在经历一次Minor GC后会被移到Survivor 1区，再经历一次Minor GC后会被移到Survivor 2区，直到升至老年代,需要注意的是，一些大对象(长字符串或数组)可能会直接存放到老年代。
堆内存
永久代有一些特殊，它用来存储类的元信息。对于GC是否发生在永久代有许多不同的看法，在我看来这取决于采用的JVM。大家可以通过创建大量的字符串来观察是发生了GC还是抛出了OutOfMemoryError。

GC算法

1. 标记清除算法
   分为标记和清除两个阶段：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。该算法的缺点是效率不高并且会产生不连续的内存碎片。
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2. 复制算法
   把内存空间划为两个区域，每次只使用其中一个区域。垃圾回收时，遍历当前使用区域，把正在使用中的对象复制到另外一个区域中。次算法每次只处理正在使用中的对象，因此复制成本比较小，同时复制过去以后还能进行相应的内存整理，不会出现“碎片”问题。优点：实现简单，运行高效。缺点：会浪费一定的内存。一般新生代采用这种算法。
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3. 标记整理算法
   标记阶段与标记清除算法一样。但后续并不是直接对可回收的对象进行清理，而是让所有存活对象都想一端移动，然后清理。优点是不会造成内存碎片。
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Java中垃圾回收器的类型

Java提供多种类型的垃圾回收器。JVM中的垃圾收集一般都采用“分代收集”，不同的堆内存区域采用不同的收集算法，主要目的就是为了增加吞吐量或降低停顿时间。

• Serial收集器：新生代收集器，使用复制算法，使用一个线程进行GC，串行，其它工作线程暂停。
• ParNew收集器：新生代收集器，使用复制算法，Serial收集器的多线程版，用多个线程进行GC，并行，其它工作线程暂停。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：吞吐量优先的垃圾回收器，作用在新生代，使用复制算法，关注CPU吞吐量，即运行用户代码的时间/总时间。使用-XX:+UseParallelGC开关控制使用Parallel Scavenge+Serial Old收集器组合回收垃圾。
• Serial Old收集器：老年代收集器，单线程收集器，串行，使用标记整理算法，使用单线程进行GC，其它工作线程暂停。
• Parallel Old收集器：吞吐量优先的垃圾回收器，作用在老年代，多线程，并行，多线程机制与Parallel Scavenge差不错，使用标记整理算法，在Parallel Old执行时，仍然需要暂停其它线程。
• 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（即缩短垃圾回收的时间），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Full GC和并发垃圾回收一节），当用户线程内存不足时，采用备用方案Serial Old收集。

可以看Java Performance一书来获取更多关于GC调优的信息。

与GC有关的JVM参数

做GC调优需要大量的实践，耐心和对项目的分析。我曾经参与过高容量，低延迟的电商系统，在开发中我们需要通过分析造成Full GC的原因来提高系统性能，在这个过程中我发现做GC的调优很大程度上依赖于对系统的分析，系统拥有怎样的对象以及他们的平均生命周期。
举个例子，如果一个应用大多是短生命周期的对象，那么应该确保Eden区足够大，这样可以减少Minor GC的次数。可以通过-XX:NewRatio来控制新生代和老年代的比例，比如-XX:NewRatio=3代表新生代和老年代的比例为1：3。需要注意的是，扩大新生代的大小会减少老年代的大小，这会导致Major GC执行的更频繁，而Major GC可能会造成用户线程的停顿从而降低系统吞吐量。JVM中可以用NewSize和MaxNewSize参数来指定新生代内存最小和最大值，如果两个参数值一样，那么就相当于固定了新生代的大小。
个人建议，在做GC调优之前最好深入理解Java中GC机制，推荐阅读Sun Microsystems提供的有关GC的文档。这个链接可能会对理解GC机制提供一些帮助。下面的图列出了各个区可用的一些JVM参数。
jvm参数

Full GC和并发垃圾回收

并发垃圾回收器的内存回收过程是与用户线程一起并发执行的。通常情况下，并发垃圾回收器可以在用户线程运行的情况下完成大部分的回收工作，所以应用停顿时间很短。
但由于并发垃圾回收时用户线程还在运行，所以会有新的垃圾不断产生。作为担保，如果在老年代内存都被占用之前，如果并发垃圾回收器还没结束工作，那么应用会暂停，在所有用户线程停止的情况下完成回收。这种情况称作Full GC，这意味着需要调整有关并发回收的参数了。
由于Full GC很影响应用的性能，要尽量避免或减少。特别是如果对于高容量低延迟的电商系统，要尽量避免在交易时间段发生Full GC。

总结

• 为了分代垃圾回收，Java堆内存分为3代：新生代，老年代和永久代。
• 新的对象实例会优先分配在新生代，在经历几次Minor GC后(默认15次)，还存活的会被移至老年代(某些大对象会直接在老年代分配)。
• 永久代是否执行GC，取决于采用的JVM。
• Minor GC发生在新生代，当Eden区没有足够空间时，会发起一次Minor GC，将Eden区中的存活对象移至Survivor区。Major GC发生在老年代，当升到老年代的对象大于老年代剩余空间时会发生Major GC。
• 发生Major GC时用户线程会暂停，会降低系统性能和吞吐量。
• JVM的参数-Xmx和-Xms用来设置Java堆内存的初始大小和最大值。依据个人经验这个值的比例最好是1:1或者1:1.5。比如，你可以将-Xmx和-Xms都设为1GB，或者-Xmx和-Xms设为1.2GB和1.8GB。
• Java中不能手动触发GC，但可以用不同的引用类来辅助垃圾回收器工作(比如：弱引用或软引用)。

以上就是关于Java中GC的一些内容。通过这篇博客，我们可以知道堆内存是如何划分的；一个对象在没有任何强引用指向他或该对象通过根节点不可达时需要被垃圾回收器回收；当垃圾收集器意识到需要进行GC时会触发Minor GC或Major GC，是自动的，无法强制执行。

 

常用的收集器组合

	新生代GC策略	老年老代GC策略	说明
组合1	Serial	Serial Old	Serial和Serial Old都是单线程进行GC，特点就是GC时暂停所有应用线程。
组合2	Serial	CMS+Serial Old	CMS（Concurrent Mark Sweep）是并发GC，实现GC线程和应用线程并发工作，不需要暂停所有应用线程。另外，当CMS进行GC失败时，会自动使用Serial Old策略进行GC。
组合3	ParNew	CMS	使用 -XX:+UseParNewGC选项来开启。ParNew是Serial的并行版本，可以指定GC线程数，默认GC线程数为CPU的数量。可以使用-XX:ParallelGCThreads选项指定GC的线程数。如果指定了选项 -XX:+UseConcMarkSweepGC选项，则新生代默认使用ParNew GC策略。
组合4	ParNew	Serial Old	使用 -XX:+UseParNewGC选项来开启。新生代使用ParNew GC策略，年老代默认使用Serial Old GC策略。
组合5	Parallel Scavenge	Serial Old	Parallel Scavenge策略主要是关注一个可控的吞吐量：应用程序运行时间 / (应用程序运行时间 + GC时间)，可见这会使得CPU的利用率尽可能的高，适用于后台持久运行的应用程序，而不适用于交互较多的应用程序。
组合6	Parallel Scavenge	Parallel Old	Parallel Old是Serial Old的并行版本
组合7	G1GC	G1GC	-XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseG1GC #开启； -XX:MaxGCPauseMillis=50 #暂停时间目标； -XX:GCPauseIntervalMillis=200 #暂停间隔目标； -XX:+G1YoungGenSize=512m #年轻代大小； -XX:SurvivorRatio=6 #幸存区比例

 

 

垃圾收集算法

标记 -清除算法

“标记-清除”（Mark-Sweep）算法，如它的名字一样，算法分为“标记”和“清除”两个阶段：首先标记出所有需要回收的对象，在标记完成后统一回收掉所有被标记的对象。之所以说它是最基础的收集算法，是因为后续的收集算法都是基于这种思路并对其缺点进行改进而得到的。

它的主要缺点有两个：一个是效率问题，标记和清除过程的效率都不高；另外一个是空间问题，标记清除之后会产生大量不连续的内存碎片，空间碎片太多可能会导致，当程序在以后的运行过程中需要分配较大对象时无法找到足够的连续内存而不得不提前触发另一次垃圾收集动作。

复制算法

“复制”（Copying）的收集算法，它将可用内存按容量划分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块。当这一块的内存用完了，就将还存活着的对象复制到另外一块上面，然后再把已使用过的内存空间一次清理掉。

这样使得每次都是对其中的一块进行内存回收，内存分配时也就不用考虑内存碎片等复杂情况，只要移动堆顶指针，按顺序分配内存即可，实现简单，运行高效。只是这种算法的代价是将内存缩小为原来的一半，持续复制长生存期的对象则导致效率降低。

标记-压缩算法

复制收集算法在对象存活率较高时就要执行较多的复制操作，效率将会变低。更关键的是，如果不想浪费50%的空间，就需要有额外的空间进行分配担保，以应对被使用的内存中所有对象都100%存活的极端情况，所以在老年代一般不能直接选用这种算法。

根据老年代的特点，有人提出了另外一种“标记-整理”（Mark-Compact）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进行清理，而是让所有存活的对象都向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存

分代收集算法

GC分代的基本假设：绝大部分对象的生命周期都非常短暂，存活时间短。

“分代收集”（Generational Collection）算法，把Java堆分为新生代和老年代，这样就可以根据各个年代的特点采用最适当的收集算法。在新生代中，每次垃圾收集时都发现有大批对象死去，只有少量存活，那就选用复制算法，只需要付出少量存活对象的复制成本就可以完成收集。而老年代中因为对象存活率高、没有额外空间对它进行分配担保，就必须使用“标记-清理”或“标记-整理”算法来进行回收。

垃圾收集器

如果说收集算法是内存回收的方法论，垃圾收集器就是内存回收的具体实现

Serial收集器

串行收集器是最古老，最稳定以及效率高的收集器，可能会产生较长的停顿，只使用一个线程去回收。新生代、老年代使用串行回收；新生代复制算法、老年代标记-压缩；垃圾收集的过程中会Stop The World（服务暂停）

参数控制： -XX:+UseSerialGC 串行收集器

ParNew收集器 ParNew收集器其实就是Serial收集器的多线程版本。新生代并行，老年代串行；新生代复制算法、老年代标记-压缩

参数控制：

-XX:+UseParNewGC ParNew收集器
-XX:ParallelGCThreads 限制线程数量

Parallel收集器

Parallel Scavenge收集器类似ParNew收集器，Parallel收集器更关注系统的吞吐量。可以通过参数来打开自适应调节策略，虚拟机会根据当前系统的运行情况收集性能监控信息，动态调整这些参数以提供最合适的停顿时间或最大的吞吐量；也可以通过参数控制GC的时间不大于多少毫秒或者比例；新生代复制算法、老年代标记-压缩

参数控制： -XX:+UseParallelGC 使用Parallel收集器+ 老年代串行

Parallel Old 收集器

Parallel Old是Parallel Scavenge收集器的老年代版本，使用多线程和“标记－整理”算法。这个收集器是在JDK 1.6中才开始提供

参数控制： -XX:+UseParallelOldGC 使用Parallel收集器+ 老年代并行

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。目前很大一部分的Java应用都集中在互联网站或B/S系统的服务端上，这类应用尤其重视服务的响应速度，希望系统停顿时间最短，以给用户带来较好的体验。

从名字（包含“Mark Sweep”）上就可以看出CMS收集器是基于“标记-清除”算法实现的，它的运作过程相对于前面几种收集器来说要更复杂一些，整个过程分为4个步骤，包括：

• 初始标记（CMS initial mark）

• 并发标记（CMS concurrent mark）

• 重新标记（CMS remark）

• 并发清除（CMS concurrent sweep）

其中初始标记、重新标记这两个步骤仍然需要“Stop The World”。初始标记仅仅只是标记一下GC Roots能直接关联到的对象，速度很快，并发标记阶段就是进行GC Roots Tracing的过程，而重新标记阶段则是为了修正并发标记期间，因用户程序继续运作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稍长一些，但远比并发标记的时间短。

由于整个过程中耗时最长的并发标记和并发清除过程中，收集器线程都可以与用户线程一起工作，所以总体上来说，CMS收集器的内存回收过程是与用户线程一起并发地执行。老年代收集器（新生代使用ParNew）

优点: 并发收集、低停顿
缺点: 产生大量空间碎片、并发阶段会降低吞吐量

参数控制：

-XX:+UseConcMarkSweepGC 使用CMS收集器
-XX:+ UseCMSCompactAtFullCollection Full GC后，进行一次碎片整理；整理过程是独占的，会引起停顿时间变长
-XX:+CMSFullGCsBeforeCompaction 设置进行几次Full GC后，进行一次碎片整理
-XX:ParallelCMSThreads 设定CMS的线程数量（一般情况约等于可用CPU数量）

G1收集器

G1是目前技术发展的最前沿成果之一，HotSpot开发团队赋予它的使命是未来可以替换掉JDK1.5中发布的CMS收集器。与CMS收集器相比G1收集器有以下特点：

1. 空间整合，G1收集器采用标记整理算法，不会产生内存空间碎片。分配大对象时不会因为无法找到连续空间而提前触发下一次GC。

2. 可预测停顿，这是G1的另一大优势，降低停顿时间是G1和CMS的共同关注点，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N毫秒的时间片段内，消耗在垃圾收集上的时间不得超过N毫秒，这几乎已经是实时Java（RTSJ）的垃圾收集器的特征了。

上面提到的垃圾收集器，收集的范围都是整个新生代或者老年代，而G1不再是这样。使用G1收集器时，Java堆的内存布局与其他收集器有很大差别，它将整个Java堆划分为多个大小相等的独立区域（Region），虽然还保留有新生代和老年代的概念，但新生代和老年代不再是物理隔阂了，它们都是一部分（可以不连续）Region的集合。

G1的新生代收集跟ParNew类似，当新生代占用达到一定比例的时候，开始出发收集。和CMS类似，G1收集器收集老年代对象会有短暂停顿。

收集步骤：

1、标记阶段，首先初始标记(Initial-Mark),这个阶段是停顿的(Stop the World Event)，并且会触发一次普通Mintor GC。对应GC log:GC pause (young) (inital-mark)

2、Root Region Scanning，程序运行过程中会回收survivor区(存活到老年代)，这一过程必须在young GC之前完成。

3、Concurrent Marking，在整个堆中进行并发标记(和应用程序并发执行)，此过程可能被young GC中断。在并发标记阶段，若发现区域对象中的所有对象都是垃圾，那个这个区域会被立即回收(图中打X)。同时，并发标记过程中，会计算每个区域的对象活性(区域中存活对象的比例)。

4、Remark, 再标记，会有短暂停顿(STW)。再标记阶段是用来收集 并发标记阶段 产生新的垃圾(并发阶段和应用程序一同运行)；G1中采用了比CMS更快的初始快照算法:snapshot-at-the-beginning (SATB)。

5、Copy/Clean up，多线程清除失活对象，会有STW。G1将回收区域的存活对象拷贝到新区域，清除Remember Sets，并发清空回收区域并把它返回到空闲区域链表中。

6、复制/清除过程后。回收区域的活性对象已经被集中回收到深蓝色和深绿色区域。