Java垃圾回收机制

JVM框架

Java虚拟机HotSpot的框架：

JVM主要组成部分：Class Loader（类加载器）、Runtime Data Area（运行时数据区）、执行引擎（Execution Engine）。

JVM垃圾回收简介

Step 1: Marking

 

GC算法在扫描存活对象时通常需要从Root节点开始，扫描所有存活对象的引用，构建出对象图。

Root：静态字段、方法参数、局部变量、CPU寄存器

Step 2: Normal Deletion

 

删除没有被引用的对象，释放空间。

Step 2a: Deletion with Compacting

删除垃圾并压缩存活的引用对象，有利于提高内存分配的效率。

Generational Garbage Collection（分代垃圾回收）

HotSpot堆结构：

 

Young Generation：从eden区分配新对象，eden区满后，发生一次minor garbage collection，把eden区和一个survivor区中存活的对象移动到另一个survivor区中，存活的对象age加1，当存活的对象age达到一个阈值时晋升到Old Generation。

Old Generation：保存存活长久对象的地方，Old Generation满后会发生major garbage collection（full garbage collection）。

Stop the World Event：minor garbage collection和major garbage collection都是Stop the World Event，即垃圾回收的时候会暂停程序中线程的执行。

Permanent generation：保存JVM中用于描述类和方法的元数据信息。

整个GC的流程总结图：

 

GC分代的基本假设是：绝大部分对象的生命周期都非常短暂，存活时间短。

分配小对象的开销负担小，不要吝啬去创建。

GC最喜欢这种小而短命的对象。

让对象的生命周期尽可能短，例如在方法体内创建，使其能尽快地在YoungGC中被回收，不会晋升（romote）到年老代（Old Generation）。

对象分配的优化：尽量避免大对象的分配，当对象大到Eden Generation放不下时，JVM只能尝试去Old Generation分配，这种情况需要尽可能避免，因为一旦在Old Generation分配，这个对象就只能被Old Generation的GC或是FullGC回收了。

不可变对象可以减少GC的压力：Hotspot JVM为了提高YoungGC的性能，避免每次YoungGC都扫描Old Generation中的对象引用，采用了卡表(Card Table) 的方式。简单来说，当Old Generation中的对象发生对Young Generation中的对象产生新的引用关系或释放引用时，都会在卡表中响应的标记上标记为脏（dirty），而YoungGC时，只需要扫描这些dirty的项就可以了。可变对象对其它对象的引用关系可能会频繁变化，并且有可能在运行过程中持有越来越多的引用，特别是容器。这些都会导致对应的卡表项被频繁标记为dirty。而不可变对象的引用关系非常稳定，在扫描卡表时就不会扫到它们对应的项了。

指定容器初始化大小可以减少GC的压力：每次容器扩容分配更大的空间，可能会增加GC的次数。

各类引用：java.lang.ref.Reference有几个子类，用于处理和GC相关的引用。JVM的引用类型简单来说有几种：

Strong Reference，最常见的引用。

Weak Reference，当没有指向它的强引用时会被GC回收。

Soft Reference，只当临近OOM时才会被GC回收。

Phantom Reference，主要用于识别对象被GC的时机，通常用于做一些清理工作。

Garbage Collector（垃圾收集器）

HotSpot 1.6版使用的垃圾收集器如下图（图来源于《深入理解Java虚拟机：JVM高级特效与最佳实现》，图中两个收集器之间有连线，说明它们可以配合使用）：

1）Serial新生代串行收集器

串行收集器主要有两个特点：第一，它仅仅使用单线程进行垃圾回收。第二，它是独占式的垃圾回收。当JVM在Client模式下运行时，它是默认的垃圾收集器。

2）Serial Old老年代串行收集器

老年代串行收集器使用的是标记-压缩算法。和新生代串行收集器一样，它也是一个串行的、独占式的垃圾回收器。由于老年代垃圾回收通常会使用比新生代垃圾回收更长的时间，因此，在堆空间较大的应用程序中，一旦老年代串行收集器启动，应用程序很可能会因此停顿几秒甚至更长时间。虽然如此，老年代串行回收器可以和多种新生代回收器配合使用，同时它也可以作为 CMS 回收器的备用回收器。若要启用老年代串行回收器，可以尝试使用以下参数：-XX:+UseSerialGC: 新生代、老年代都使用串行回收器。

3）并行收集器

ParNew并行收集器是工作在新生代的垃圾收集器，它只简单地将串行回收器多线程化。它的回收策略、算法以及参数和串行回收器一样。并行回收器也是独占式的回收器，在收集过程中，应用程序会全部暂停。开启并行回收器可以使用参数-XX:+UseParNewGC，该参数设置新生代使用并行收集器，老年代使用串行收集器。-XX:+UseConcMarkSweepGC: 新生代使用并行收集器，老年代使用 CMS+串行收集器。

4）新生代并行回收 (Parallel Scavenge) 收集器

新生代并行回收收集器也是使用复制算法的收集器。从表面上看，它和并行收集器一样都是多线程、独占式的收集器。但是，并行回收收集器有一个重要的特点：它非常关注系统的吞吐量，追求高效利用CPU，吞吐量= 用户线程时间/(用户线程时间+GC线程时间)。适合后台应用等对交互相应要求不高的场景。
新生代并行回收收集器可以使用以下参数启用：
-XX:+UseParallelGC:新生代使用并行回收收集器，老年代使用串行收集器。
-XX:+UseParallelOldGC:新生代和老年代都是用并行回收收集器。

5）老年代并行回收收集器

老年代的并行回收收集器也是一种多线程并发的收集器。和新生代并行回收收集器一样，它也是一种关注吞吐量的收集器。老年代并行回收收集器使用标记-压缩算法，JDK1.6 之后开始启用。使用-XX:+UseParallelOldGC 可以在新生代和老生代都使用并行回收收集器，这是一对非常关注吞吐量的垃圾收集器组合，在对吞吐量敏感的系统中，可以考虑使用。参数-XX:ParallelGCThreads 也可以用于设置垃圾回收时的线程数量。

6）CMS 收集器

与并行回收收集器不同，CMS 收集器主要关注于系统停顿时间。CMS是Concurrent Mark Sweep的缩写，意为并发标记清除，从名称上可以得知，它使用的是标记-清除算法，同时它又是一个使用多线程并发回收的垃圾收集器。CMS工作时，主要步骤有：初始标记、并发标记、重新标记、并发清除和并发重置。其中初始标记和重新标记是独占系统资源的，而并发标记、并发清除和并发重置是可以和用户线程一起执行的。因此，从整体上来说，CMS 收集不是独占式的，它可以在应用程序运行过程中进行垃圾回收。

7）G1 收集器 (Garbage First)

G1 收集器的目标是作为一款服务器的垃圾收集器，因此，它在吞吐量和停顿控制上，预期要优于 CMS 收集器。与CMS收集器相比，G1收集器是基于标记-压缩算法的。因此，它不会产生空间碎片，也没有必要在收集完成后，进行一次独占式的碎片整理工作。G1 收集器还可以进行非常精确的停顿控制。它可以让开发人员指定当停顿时长为 M时，垃圾回收时间不超过 N。使用参数-XX:+UnlockExperimentalVMOptions –XX:+UseG1GC 来启用 G1 回收器，设置 G1 回收器的目标停顿时间：-XX:MaxGCPauseMills=20,-XX:GCPauseIntervalMills=200。

 

 

参考：

http://www.oracle.com/webfolder/technetwork/tutorials/obe/java/gc01/index.html

http://coolshell.cn/articles/11541.html

http://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-lo-JVMGarbageCollection/index.html