深究JDK7和8 JVM垃圾回收机制原理
文章目录
- 什么是垃圾回收
- - CMS并发垃圾收集器
- G1垃圾收集器
-CMS垃圾回收器：
初始化标记（STW）-》并发标记-》预清理-》重新标记（STW）-》并发清除-》标记压缩
-G1
取消了年轻代，年老代物理上的划分，不用担心某个区域内存是否够用，将所有内存划分为若干个区域，当Eden区满了的时候，将存活对象拷贝到年老代或者survivor区域种，这样不存在碎片化。这里有个Humongous区，当有大对象时，放在这个区域。
什么是垃圾回收
程序运行必然要占用资源，无效的对象资源如果不及时处理就会一直占有内存，最终导致内存溢出，所以对内存的管理是非常重要的。
垃圾回收常见的算法
-
引用计数法
原理：假如有对象A，任何对象对A的引用，那么对象A的引用计数器加1，当引用失败，引用计数器-1，当对象A的计数器值为0的时候，对象A没有被引用了，可以被回收。优点：
1，实时性较高，不用等到内存不够时候，才开始回收，运行时根据对象计数器是否为0就可以直接回收。
2，垃圾回收时，应用无需挂起
3，区域性。更新对象的计数器时，只影响该对象，不会全局扫描缺点：
1，每次对象被引用时，都需要去更新计数器，有一点时间开销
2，浪费cpu资源，即使内存够用，仍然运行内存计数器
3，无法解决循环依赖（最大的缺点）
循环依赖：
class TestA{
public TestB b;
}
class TestB{
public TestA a;
}
class TestDemo{
public static void main(String[] args) {
TestA testA = new TestA();
TestB testB = new TestB();
testA.b=testB;
testB.a=testA;
testA=null;
testB=null;
}
}
虽然a和b都是null，但是由于a和b存在循环引用，这样testA和testB永远都不会回收。
-
标记清除法
标记清除法，是将垃圾回收分为两个阶段，分别是标记和清除。
标记：从根节点开始标记引用对象
清除：未被标记的对象就是垃圾对象原理：
这张图代表的是程序运行期间所有对象的状态，它们的标志位全部是0（也就是未标记， 以下默认0就是未标记，1为已标记），假设这会儿有效内存空间耗尽了，JVM将会停止应 用程序的运行并开启GC线程，然后开始进行标记工作，按照根搜索算法，标记完以后， 对象的状态如下所示。
可以看到，按照根搜索算法，所有从root对象可达的对象就被标记为了存活的对象，此 时已经完成了第一阶段标记。接下来，就要执行第二阶段清除了，那么清除完以后，剩 下的对象如下图所示；
标记清除解决了重复引用的问题。
但是缺点也很明显：
1，效率较低，标记和清除两个动作需要遍历所有的对象，并且在GC时需要停止引用程序，对于交互性要求高的运用程序体验感就会很差了。
2，通过标记清除算法清理出来的内存，碎片化比较严重，因为被回收的对象可能存在于各个角落，所以清理出来的内存是不连贯的 -
标记压缩法
标记压缩算法是在标记压缩清除算法的基础之上优化的算法，和标记清除法一样也是从根节点开始对对象的引用标记，在清理阶段，并不是简单的清理未标记的对象。而是将存活的对象压缩到内存的另外一端。然后清理边界意外的垃圾，从而解决碎片化的问题
优缺点：
相比标记清除法解决了内存碎片化的问题，同时，标记压缩算法多了一步，对象移动内存位置的步骤，其效率也有一定的影响 -
复制算法
复制算法的核心是将内存空间一分为2，每次只用其中的一块，在垃圾回收时，将正在使用的对象复制到另一个内存空间中，然后将该内存空间清空，交换两个内存的角色，完成垃圾回收。
这种适合内存中的垃圾对象较多，需要复制的对象较少、
1在GC开始的时候，对象只会存在于Eden区 和Survivor区
2，紧接着进行GC，Eden区中所有存活的对象都会复制到到Survivor“To”，而在from区仍存活的对象会根据他们的年龄值来决定去向。年龄达到一定值（年龄阈值，可以通过XX:MaxTenuringThreshold来设置）会移动到老年代中，没有达到阈值的会移动到To区
3，经过这次GC后，From和To会交换他们的角色，就是保证To的Survivor区都是空的
4，GC会一直重复这个过程，直到To区被填满，To区被填满后会将所有的对象移到老年代中。
优缺点：
垃圾对象多的情况下，效率较高
清理后，内存无碎片
缺点：
需要两块内存空间
在垃圾对象较少的情况下不适合
- 分代算法：
根据我们上面的分析，我们知道，每一种算法都有自己的优缺点，谁也代替不了谁，所以我们应该根据垃圾回收对象的特点进行明智的选择。
分代算法于是就隐隐而生，根据回收对象进行选择，在JVM中，年轻代适合使用复制算法，老年代适合使用标记清除或者标记压缩算法。
垃圾收集器
- 串行垃圾回收器
是指使用单线程进行垃圾回收，垃圾回收时，只有一个线程在工作，并且java引用中的所有线程都要暂停，等待垃圾回收的完成，这种现象称之为STW（stop the world）
对于交互性较强的运用而言，这种垃圾收集器是不能接受的。
测试代码：
package com.evan.springboot.study;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.Properties;
import java.util.Random;
/**
* @author evanYang
* @version 1.0
* @date 04/14/2020 11:36
*/
public class TestJVM{
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
System.out.print(System.getProperty("test.demo"));
List<Object> list = new ArrayList<>();
while (true){
int anInt = new Random().nextInt(100);
if (System.currentTimeMillis()%2==0){
list.clear();
}else{
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
Properties properties = new Properties();
properties.put("key_"+i,"value_"+ System.currentTimeMillis()+i);
list.add(properties);
//System.out.println(list);
}
//System.gc();
}
Thread.sleep(anInt);
}
}
}
-XX:+UseSerialGC -XX:+PrintGCDetails -Xms16m -Xmx16m
Connected to the target VM, address: '127.0.0.1:3808', transport: 'socket'
null[GC (Allocation Failure) [DefNew: 4416K->512K(4928K), 0.0057594 secs] 4416K->1339K(15872K), 0.0058384 secs] [Times: user=0.00 sys=0.02, real=0.01 secs]
[GC (Allocation Failure) [DefNew: 4928K->511K(4928K), 0.0031514 secs] 5755K->2462K(15872K), 0.0031901 secs] [Times: user=0.02 sys=0.00, real=0.00 secs]
[GC (Allocation Failure) [DefNew: 4927K->243K(4928K), 0.0008056 secs] 6878K->2196K(15872K), 0.0008453 secs] [Times: user=0.02 sys=0.00, real=0.00 secs]
[GC (Allocation Failure) [DefNew: 4659K->157K(4928K), 0.0013913 secs] 6612K->2110K(15872K), 0.0014919 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
[GC (Allocation Failure) [DefNew: 4573K->511K(4928K), 0.0022576 secs] 6526K->2867K(15872K), 0.0023027 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
[GC (Allocation Failure) [DefNew: 4927K->240K(4928K), 0.0005597 secs] 7283K->2620K(15872K), 0.0005894 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
[GC (Allocation Failure) [DefNew: 4656K->154K(4928K), 0.0021212 secs] 7036K->2533K(15872K), 0.0022378 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
[GC (Allocation Failure) [DefNew: 4570K->67K(4928K), 0.0003081 secs] 6949K->2447K(15872K), 0.0003411 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
DefNew：表示使用的是串行垃圾收集器
4928K->511K(4928K)： 表示年轻代GC前，占有4928K内存，GC后，占有511K内存
0.0005894 secs： GC所用的时间
6949K->2447K(15872K)： 堆内存占有6949K，GC后占有2447K，总大小为15872K
- 并行垃圾回收器
并行垃圾收集器在串行垃圾收集器的基础上做了改进，将单线程改为了多线程进行垃圾回收，这样可以缩短垃圾回收时间。（这里是指，并行能力较强的机器）
当然了，并行垃圾收集器在收集的过程中也会暂停运用程序，这个和串行垃圾回收器是一样的。只是并行执行，速度更快一些，暂停的时间更短一些。
-XX:+UseParNewGC -XX:+PrintGCDetails -Xms16m -Xmx16m
null[GC (Allocation Failure) [ParNew: 4416K->512K(4928K), 0.0015939 secs] 4416K->1368K(15872K), 0.0016704 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
[GC (Allocation Failure) [ParNew: 4928K->424K(4928K), 0.0006856 secs] 5784K->1746K(15872K), 0.0007229 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
[GC (Allocation Failure) [ParNew: 4840K->512K(4928K), 0.0011280 secs] 6162K->2465K(15872K), 0.0011691 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
[GC (Allocation Failure) [ParNew: 4928K->512K(4928K), 0.0025072 secs] 6881K->2505K(15872K), 0.0025483 secs] [Times: user=0.05 sys=0.00, real=0.00 secs]
[GC (Allocation Failure) [ParNew: 4928K->512K(4928K), 0.0007648 secs] 6921K->2689K(15872K), 0.0008018 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
[GC (Allocation Failure) [ParNew: 4928K->512K(4928K), 0.0017972 secs] 7105K->3593K(15872K), 0.0018330 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
[GC (Allocation Failure) [ParNew: 4928K->377K(4928K), 0.0007489 secs] 8009K->3579K(15872K), 0.0008213 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
[GC (Allocation Failure) [ParNew: 4793K->512K(4928K), 0.0025430 secs] 7995K->5377K(15872K), 0.0025828 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
[GC (Allocation Failure) [ParNew: 4928K->512K(4928K), 0.0010387 secs] 9793K->5638K(15872K), 0.0010879 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
[GC (Allocation Failure) [ParNew: 4928K->512K(4928K), 0.0014553 secs] 10054K->5894K(15872K), 0.0014929 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
[GC (Allocation Failure) [ParNew: 4928K->512K(4928K), 0.0013254 secs] 10310K->6358K(15872K), 0.0013664 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
- CMS并发垃圾收集器
CMS全称Concurrent Mark Sweep，是一款并发的，使用标记-清除算法的垃圾回收器，该回收器是针对老年代垃圾回收的。通过参数-XX:+UseConcMarkSweepGC进行设置。
CMS垃圾回收器的执行过程如下：
初始化标记（CMS-initial-mark），标记root，会导致stw。
并发标记（CMS-concurrent-mark），与用户线程同时运行。
预清理（CMS-concurrent-preclean）,与用户线程同时运行
重新标记（CMS-remark）会导致stw
并发清除（CMS-concurrent-sweep），与用户线程同时运行。
调整堆大小，设置CMS在清理之后进行内存压缩，目的是清理内存中的碎片。
并发重置状态等待下次CMS的触发（CMS-concurrent-reset），与用户线程同时运行。
#设置启动参数 ‐XX:+UseConcMarkSweepGC ‐XX:+PrintGCDetails ‐Xms16m ‐Xmx16m #运行日志 [GC (Allocation Failure) [ParNew: 4926K‐>512K(4928K), 0.0041843 secs] 9424K‐>6736K(15872K), 0.0042168 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
#第一步，初始标记 [GC (CMS Initial Mark) [1 CMS‐initial‐mark: 6224K(10944K)] 6824K(15872K), 0.0004209 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
#第二步，并发标记 [CMS‐concurrent‐mark‐start] [CMS‐concurrent‐mark: 0.002/0.002 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
#第三步，预处理 [CMS‐concurrent‐preclean‐start] [CMS‐concurrent‐preclean: 0.000/0.000 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
#第四步，重新标记 [GC (CMS Final Remark) [YG occupancy: 1657 K (4928 K)][Rescan (parallel) , 0.0005811 secs][weak refs processing, 0.0000136 secs][class unloading, 0.0003671 secs][scrub symbol table, 0.0006813 secs][scrub string table, 0.0001216 secs][1 CMS‐remark: 6224K(10944K)] 7881K(15872K), 0.0018324 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
#第五步，并发清理 [CMS‐concurrent‐sweep‐start] [CMS‐concurrent‐sweep: 0.004/0.004 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
#第六步，重置 [CMS‐concurrent‐reset‐start] [CMS‐concurrent‐reset: 0.000/0.000 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
G1垃圾收集器
G1的设计原则就是简化JVM性能调优，开发人员只需要简单的三步即可完成调优：
1，第一步开启G1垃圾收集器
2，第二步设置堆的最大内存
3，设置最大的停顿时间
G1中提供了三种垃圾回收模式，YoungGC，MixedGC和Full GC,在不同的条件下触发。
原理：
G1垃圾收集器相对于其他收集器而言，最大的区别是在于取消了年轻代，老年代的物理划分，取而代之的是将堆划分为若干个区域（Region），这些区域中包含了有逻辑上的年轻代，老年代区域。
这样的好处是我们再也不用单的的空间对每个代进行设置了。不用担心每个带内存是否足够。
在G1划分的区域中，年轻代的垃圾收集依然采用暂停所有运用程序的方式。将存活对象拷贝到老年代或者Survivor空间，G1收集器通过将对象从一个区间复制到另外一个区域，完成了清理工作。
这就意味着，在正常的处理过程中，G1完成了堆的压缩（至少是部分堆的压缩），这样也就不会有cms内存碎片问题的存在了。
在G1中，有一种特殊的区域，叫Humongous区域。
1，如果一个对象占用的空间超过了分区容量50%以上，G1收集器就认为这是个巨型对象
2，这些巨型对象，默认直接会被分配在老年代，但是如果它是一个短期存在的巨型对 象，就会对垃圾收集器造成负面影响。
3，为了解决这个问题，G1划分了一个Humongous区，它用来专门存放巨型对象。如果 一个H区装不下一个巨型对象，那么G1会寻找连续的H分区来存储。为了能找到连续 的H区，有时候不得不启动Full GC。
YoungGC
YoungGC主要是对Eden区进行GC，在Eden空间耗尽时会被触发。
1，Eden空间的数据移动到Survivor空间中，如果Survivor空间不够，Eden空间的部分数据会直接晋升到老年代中
2，Survivor区数据移动到新的Survivor区中，也有部分数据直接晋升到老年代中。
3，最终eden空间数据为空，GC停止工作，应用线程继续执行。
RememberedSet（已记忆集合）
在GC年轻代的对象时，我们如何找到年轻代中对象的根对象呢?
根对象可能是在年轻代中，也可以在老年代中，那么老年代中的所有对象都是根吗？
如果全量扫描老年代，那么这样扫描下来会耗费大量的时间。
于是，G1引进了RSet的概念。它的全称是RememberedSet,其作用是跟踪指向某个堆内的对象的引用。
每个Redion初始化时，会初始一个Rset，该集合用来记录并跟踪其他Region指向该Region对象的引用，每个Region默认按照512Kb划分为多个Card，所以RSet需要记录的东西是xx Region的xx Card
Mixed GC
当越来越多的对象晋升到老年代old region时，为了避免内存被耗尽，虚拟机会触发一个混合的垃圾收集器，即Mixed GC，该算法并不是一个Old GC，除了回收整个Yound Region，还会回收一部分Old Region，这里需要注意，是一部分老年代，而不是全部老年代。可以选择哪些old region进行收集，从而可以对垃圾回收的耗时时间进行控制。也要注意的是Mixed GC并不是Full GC。
MixedGC什么时候触发？ 当参数-XX：InitialingHeapOccupancyPercent=n决定。默认是45%，该参数的意思是：当老年代大小占整个堆大小百分比达到该阈值时触发。
它的GC步骤分2步：
1，全局并发标记
2，拷贝存活对象
全部并发标记
全局并发标记，执行过程分为五个步骤： 初始标记（initial mark，STW） 标记从根节点直接可达的对象，这个阶段会执行一次年轻代GC，会产生全局停 顿。
- 根区域扫描（root region scan）
G1 GC 在初始标记的存活区扫描对老年代的引用，并标记被引用的对象。 该阶段与应用程序（非 STW）同时运行，并且只有完成该阶段后，才能开始下 一次 STW 年轻代垃圾回收。
-
并发标记（Concurrent Marking）
G1 GC 在整个堆中查找可访问的（存活的）对象。该阶段与应用程序同时运行， 可以被 STW 年轻代垃圾回收中断。
-
重新标记（Remark，STW）
该阶段是 STW 回收，因为程序在运行，针对上一次的标记进行修正。
-
清除垃圾（Cleanup，STW）
清点和重置标记状态，该阶段会STW，这个阶段并不会实际上去做垃圾的收集， 等待evacuation阶段来回收。
G1收集器相关参数
-XX:+UseG1GC
使用 G1 垃圾收集器 -XX:MaxGCPauseMillis 设置期望达到的最大GC停顿时间指标（JVM会尽力实现，但不保证达到），默认 值是 200 毫秒。
-XX:G1HeapRegionSize=n
设置的 G1 区域的大小。值是 2 的幂，范围是 1 MB 到 32 MB 之间。目标是根 据最小的 Java 堆大小划分出约 2048 个区域。 默认是堆内存的1/2000。
-XX:ParallelGCThreads=n
设置 STW 工作线程数的值。将 n 的值设置为逻辑处理器的数量。n 的值与逻辑 处理器的数量相同，最多为 8。
-XX:ConcGCThreads=n
设置并行标记的线程数。将 n 设置为并行垃圾回收线程数 (ParallelGCThreads) 的 1/4 左右。 -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=n
设置触发标记周期的 Java 堆占用率阈值。默认占用率是整个 Java 堆的 45%。
对于G1垃圾收集器优化建议
年轻代大小
避免使用-Xmn选项或-XX：NewRatio等其他相关选项显示设置年轻代大小。
暂停时间目标不要太过于苛刻
G1 GC的吞吐量目标是90%应用程序时间和10%的垃圾回收时间。
评估G1 GC的吞吐量是，暂停目标不要太过苛刻。目标太过苛刻表示你愿意承受更多的垃圾回收开销，而这会直接影响到吞吐量
‐XX:+PrintGC 输出GC日志 ‐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的时间戳（以日期的形式，如 2013‐05‐ 04T21:53:59.234+0800） ‐XX:+PrintHeapAtGC 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
#面试时的逻辑
主要串行，并行回收器。CMS回收器，G1回收器。CMS是在JDK8以前使用，我们先说下JVM内存主要有堆，栈，本地方法区，程序计数器，元素空间/永久代 组成。垃圾回收发生在堆中。堆分年轻代、年老代。年轻代是由Eden，Survivor1/2 组成。这里主要是在eden区间满之后发生young gc，使用的是复制算法。年老代发生的是full gc，这里容易产生碎片化。
流程是，初始化标记(stw)，并发标记，预清除，重新标记(stw),并发清除。
G1垃圾收集器取消了年轻代和年老代的物理区域上的划分，将堆内存划分成若干区域，增加了H区，当有大对象生成时不会提前触发full gc。
使用标记清除算法不会有碎片化产生。增加了mixed gc 当老年代达到45%的时候会触发回收部分老年代。 利用多核cpu可以减少stw时间。
流程是，初始化标记，并发标记，重新标记，并发清除