jvm 垃圾收集原理 && 常见的垃圾收集器特点
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文章目录
- 1.垃圾收集的原理和基础概念
- 1.1 简单 JVM 内存区域模型
- 1.2 哪些内存区域可能发生 OOM?
- 1.3 哪些内存需要被释放?
- 1.4常见的垃圾收集算法分类
- 2.Java 提供的常见的垃圾收集器 && 特点 && 适用场景
- 3.垃圾收集器工作的基本流程
- 3.1垃圾收集流程
- 3.2GC 的新发展
- 4.G1 垃圾回收的特点
- 4.1概述
- 4.2 特点
- 4.3 相关概念
- 5.参考文献
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1.垃圾收集的原理和基础概念
1.1 简单 JVM 内存区域模型
通常可以把 JVM 内存区域分为下面几个方面，其中，有的区域是以线程为单位，而有的区域则是整个 JVM 进程唯一的。
首先，程序计数器（PC，Program Counter Register）。在 JVM 规范中，每个线程都有它自己的程序计数器，并且任何时间一个线程都只有一个方法在执行，也就是所谓的当前方法。程序计数器会存储当前线程正在执行的 Java 方法的 JVM 指令地址；或者，如果是在执行本地方法，则是未指定值（undefined）。
第二，Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack），早期也叫 Java 栈。每个线程在创建时都会创建一个虚拟机栈，其内部保存一个个的栈帧（Stack Frame），对应着一次次的 Java 方法调用。
前面谈程序计数器时，提到了当前方法；同理，在一个时间点，对应的只会有一个活动的栈帧，通常叫作当前帧，方法所在的类叫作当前类。如果在该方法中调用了其他方法，对应的新的栈帧会被创建出来，成为新的当前帧，一直到它返回结果或者执行结束。JVM 直接对 Java 栈的操作只有两个，就是对栈帧的压栈和出栈。
栈帧中存储着局部变量表、操作数（operand）栈、动态链接、方法正常退出或者异常退出的定义等。
第三，堆（Heap），它是 Java 内存管理的核心区域，用来放置 Java 对象实例，几乎所有创建的 Java 对象实例都是被直接分配在堆上。堆被所有的线程共享，在虚拟机启动时，我们指定的“Xmx”之类参数就是用来指定最大堆空间等指标。
理所当然，堆也是垃圾收集器重点照顾的区域，所以堆内空间还会被不同的垃圾收集器进行进一步的细分，最有名的就是新生代、老年代的划分。
第四，方法区（Method Area）。这也是所有线程共享的一块内存区域，用于存储所谓的元（Meta）数据，例如类结构信息，以及对应的运行时常量池、字段、方法代码等。
由于早期的 Hotspot JVM 实现，很多人习惯于将方法区称为永久代（Permanent Generation）。Oracle JDK 8 中将永久代移除，同时增加了元数据区（Metaspace）。
第五，运行时常量池（Run-Time Constant Pool），这是方法区的一部分。如果仔细分析过反编译的类文件结构，你能看到版本号、字段、方法、超类、接口等各种信息，还有一项信息就是常量池。Java 的常量池可以存放各种常量信息，不管是编译期生成的各种字面量，还是需要在运行时决定的符号引用，所以它比一般语言的符号表存储的信息更加宽泛。
第六，本地方法栈（Native Method Stack）。它和 Java 虚拟机栈是非常相似的，支持对本地方法的调用，也是每个线程都会创建一个。在 Oracle Hotspot JVM 中，本地方法栈和 Java 虚拟机栈是在同一块儿区域，这完全取决于技术实现的决定，并未在规范中强制。
从年轻代空间（包括 Eden 和 Survivor 区域）回收内存被称为 Minor GC。 Major GC 是清理老年代。Full GC 是清理整个堆空间—包括年轻代和老年代。
1.2 哪些内存区域可能发生 OOM?
javadoc 中对 OutOfMemoryError 的解释是，没有空闲内存，并且垃圾收集器也无法提供更多内存。
这里面隐含着一层意思是，在抛出 OutOfMemoryError 之前，通常垃圾收集器会被触发，尽其所能去清理出空间.
除了程序计数器，其他区域都有可能会因为可能的空间不足发生 OutOfMemoryError，简单总结如下：
堆内存不足是最常见的 OOM 原因之一，抛出的错误信息是“java.lang.OutOfMemoryError:Java heap space”，原因可能千奇百怪，例如，可能存在内存泄漏问题；也很有可能就是堆的大小不合理，比如我们要处理比较可观的数据量，但是没有显式指定 JVM 堆大小或者指定数值偏小；或者出现 JVM 处理引用不及时，导致堆积起来，内存无法释放等。
而对于 Java 虚拟机栈和本地方法栈，这里要稍微复杂一点。如果我们写一段程序不断的进行递归调用，而且没有退出条件，就会导致不断地进行压栈。类似这种情况，JVM 实际会抛出 StackOverFlowError；当然，如果 JVM 试图去扩展栈空间的的时候失败，则会抛出 OutOfMemoryError。
对于老版本的 Oracle JDK，因为永久代的大小是有限的，并且 JVM 对永久代垃圾回收（如，常量池回收、卸载不再需要的类型）非常不积极，所以当我们不断添加新类型的时候，永久代出现 OutOfMemoryError 也非常多见，尤其是在运行时存在大量动态类型生成的场合；类似 Intern 字符串缓存占用太多空间，也会导致 OOM 问题。对应的异常信息，会标记出来和永久代相关：“java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space”。
随着元数据区的引入，方法区内存已经不再那么窘迫，所以相应的 OOM 有所改观，出现 OOM，异常信息则变成了：“java.lang.OutOfMemoryError: Metaspace”。
直接内存不足，也会导致 OOM
1.3 哪些内存需要被释放?
简单的说垃圾回收就是回收内存中不再使用的对象.
自动垃圾收集的前提是清楚哪些内存需要被释放.
主要就是两个方面的内存数据:
- 对象实例
- 方法区中的元数据等信息
最主要部分就是对象实例，都是存储在堆上的；还有就是方法区中的元数据等信息，例如类型不再使用，卸载该 Java 类似乎是很合理的。
对于对象实例收集，主要是两种基本算法，引用计数和可达性分析(有的文档也叫根搜索算法)。
引用计数算法，顾名思义，就是为对象添加一个引用计数，用于记录对象被引用的情况，如果计数为 0，即表示对象可回收。这是很多语言的资源回收选择，例如Python，它更是同时支持引用计数和垃圾收集机制。具体哪种最优是要看场景的，业界有大规模实践中仅保留引用计数机制，以提高吞吐量的尝试。
Java 并没有选择引用计数，是因为其存在一个基本的难题，也就是很难处理循环引用关系。无法检测到环
另外就是 Java 选择的可达性分析，Java 的各种引用关系，在某种程度上，将可达性问题还进一步复杂化，这种类型的垃圾收集通常叫作追踪性垃圾收集。
其原理简单来说，就是将对象及其引用关系看作一个图，选定活动的对象作为 GC Roots，然后跟踪引用链条，如果一个对象和 GC Roots 之间不可达，也就是不存在引用链条，那么即可认为是可回收对象。JVM 会把虚拟机栈和本地方法栈中正在引用的对象、静态属性引用的对象和常量，作为 GC Roots。
方法区元数据的回收比较复杂，一般来说初始化类加载器加载的类型是不会进行类卸载（unload）的；而普通的类型的卸载，往往是要求相应自定义类加载器本身被回收，所以大量使用动态类型的场合，需要防止元数据区（或者早期的永久代）不会 OOM。在 8.40 以后的 JDK 中，下面参数已经是默认的：
-XX:+ClassUnloadingWithConcurrentMark
1.4常见的垃圾收集算法分类
常见的垃圾收集算法，总体上分为三类：
- 复制（Copying）算法，将活着的对象复制到 to 区域，拷贝过程中将对象顺序放置，就可以避免内存碎片化。
这么做的代价是，既要进行复制，又要提前预留内存空间，有一定的空间浪费；另外，对于 G1 这种分拆成为大量 region 的 GC，复制而不是移动，意味着 GC 需要维护 region 之间对象引用关系，这个开销也不小，不管是内存占用或者时间开销。 - 标记 - 清除（Mark-Sweep）算法，首先标识出所有要回收的对象，然后统一进行清除。这么做除了标记、清除过程效率有限，另外就是不可避免的出现碎片化问题，这就导致其不适合特别大的堆；否则，一旦出现 Full GC，暂停时间可能根本无法接受。
- 标记 - 整理（Mark-Compact），类似于标记 - 清除，但为避免内存碎片化，它会在清理过程中将对象移动到一端，以确保移动后的对象占用连续的内存空间,从而减少内存碎片的产生,因为要移动内存块,所以清理效率低于标记 - 清除（Mark-Sweep）算法 。
注意，这些只是基本的算法思路，实际 GC 实现过程要复杂的多，目前还在发展中的前沿 GC 都是复合算法，并且并行和并发兼备。如果对这方面的算法有兴趣，可以参考一本比较有意思的书《垃圾回收的算法与实现》，虽然其内容并不是围绕 Java 垃圾收集，但是对通用算法讲解比较形象。
2.Java 提供的常见的垃圾收集器 && 特点 && 适用场景
- Serial GC，它是最古老的垃圾收集器，在jdk1.3.1之前，java虚拟机仅仅能使用Serial收集器,“Serial”体现在其收集工作是单线程的，并且在进行垃圾收集过程中，会进入臭名昭著的“Stop-The-World”状态(它进行垃圾收集时，必须暂停其他所有的工作线程，直到它收集结束)。当然，其单线程设计也意味着精简的 GC 实现，无需维护复杂的数据结构，初始化也简单，所以一直是 Client 模式下 JVM 的默认选项。
特点:串行运行；作用于新生代；复制算法；响应速度优先；适用于单CPU环境下的client模式。
-XX:+UseSerialGC
- ParNew GC，它实际是 Serial GC 的多线程版本，能够有效利用多核特性,最常见的应用场景是配合老年代的 CMS GC 工作，下面是对应参数
特点:并行运行；作用于新生代；复制算法；响应速度优先；多CPU环境Server模式下与CMS配合使用。
-XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:+UseParNewGC
- CMS（Concurrent Mark Sweep） GC，基于标记 - 清除（Mark-Sweep）算法，设计目标是尽量减少停顿时间，这一点对于 Web 等反应时间敏感的应用非常重要，一直到今天，仍然有很多系统使用 CMS GC。但是，CMS 采用的标记 - 清除算法，存在着内存碎片化问题，所以难以避免在长时间运行等情况下发生 full GC，导致恶劣的停顿。另外，既然强调了并发（Concurrent），CMS 会占用更多 CPU 资源，并和用户线程争抢、使用多线程去完成垃圾清理工作，这样可以充分利用多核的特性，大幅降低gc时间.
特点:并发运行；作用于老年代；标记-清除算法；响应速度优先；适用于互联网或B/S业务 - Parallel GC，在早期 JDK 8 等版本中，它是 server 模式 JVM 的默认 GC 选择，也被称作是吞吐量优先的 GC。它的算法和 Serial GC 比较相似，尽管实现要复杂的多，其特点是新生代和老年代 GC 都是并行进行的，在常见的服务器环境中更加高效
Parallel new 特点:并行运行；作用于新生代；复制算法；响应速度优先；多CPU环境Server模式下与CMS配合使用。
Parallel old 特点:并行运行；作用于老年代；标记-整理算法；吞吐量优先；适用于后台运算而不需要太多交互的场景。
-XX:+UseParallelGC
- G1 GC 这是一种兼顾吞吐量和停顿时间的 GC 实现，是 Oracle JDK 9 以后的默认 GC 选项。G1 可以直观的设定停顿时间的目标，相比于 CMS GC，G1 未必能做到 CMS 在最好情况下的延时停顿，但是最差情况要好很多。G1 吞吐量和停顿表现都非常不错，并且仍然在不断地完善，与此同时 CMS 已经在 JDK 9 中被标记为废弃(deprecated)。
特点:并发运行；可作用于新生代或老年代；标记-整理算法+复制算法；响应速度优先,面向服务端应用.
-XX:+UseG1GC
3.垃圾收集器工作的基本流程
3.1垃圾收集流程
第一，Java 应用不断创建对象，通常都是分配在 Eden 区域，当其空间占用达到一定阈值时，触发 minor GC。仍然被引用的对象（绿色方块）存活下来，被复制到 JVM 选择的 Survivor 区域，而没有被引用的对象（黄色方块）则被回收。注意，我给存活对象标记了“数字 1”，这是为了表明对象的存活时间。
第二， 经过一次 Minor GC，Eden 就会空闲下来，直到再次达到 Minor GC 触发条件，这时候，另外一个 Survivor 区域则会成为 to 区域，Eden 区域的存活对象和 From 区域对象，都会被复制到 to 区域，并且存活的年龄计数会被加 1。
第三， 类似第二步的过程会发生很多次，直到有对象年龄计数达到阈值，这时候就会发生所谓的晋升（Promotion）过程，如下图所示，超过阈值的对象会被晋升到老年代。这个阈值是可以通过参数指定：
-XX:MaxTenuringThreshold=
后面就是老年代 GC，具体取决于选择的 GC 选项，对应不同的算法。下面是一个简单标记 - 整理算法过程示意图，老年代中的无用对象被清除后， GC 会将对象进行整理，以防止内存碎片化。
通常我们把老年代 GC 叫作 Major GC，将对整个堆进行的清理叫作 Full GC，但是这个也没有那么绝对，因为不同的老年代 GC 算法其实表现差异很大.
3.2GC 的新发展
GC 仍然处于飞速发展之中，目前的默认选项 G1 GC 在不断的进行改进，很多我们原来认为的缺点，例如串行的 Full GC、Card Table 扫描的低效等，都已经被大幅改进，例如， JDK 10 以后，Full GC 已经是并行运行，在很多场景下，其表现还略优于 Parallel GC 的并行 Full GC 实现。
即使是 Serial GC，虽然比较古老，但是简单的设计和实现未必就是过时的，它本身的开销，不管是 GC 相关数据结构的开销，还是线程的开销，都是非常小的，所以随着云计算的兴起，在 Serverless 等新的应用场景下，Serial GC 找到了新的舞台。
比较不幸的是 CMS GC，因为其算法的理论缺陷等原因，虽然现在还有非常大的用户群体，但是已经被标记为废弃，如果没有组织主动承担 CMS 的维护，很有可能会在未来版本移除。
如果你有关注目前尚处于开发中的 JDK 11，你会发现，JDK 又增加了两种全新的 GC 方式，分别是：
Epsilon GC，简单说就是个不做垃圾收集的 GC，似乎有点奇怪，有的情况下，例如在进行性能测试的时候，可能需要明确判断 GC 本身产生了多大的开销，这就是其典型应用场景。
ZGC，这是 Oracle 开源出来的一个超级 GC 实现，具备令人惊讶的扩展能力，比如支持 T bytes 级别的堆大小，并且保证绝大部分情况下，延迟都不会超过 10 ms。虽然目前还处于实验阶段，仅支持 Linux 64 位的平台，但其已经表现出的能力和潜力都非常令人期待。
当然，其他厂商也提供了各种独具一格的 GC 实现，例如比较有名的低延迟 GC，Zing和Shenandoah 等
4.G1 垃圾回收的特点
鉴于目前大多数互联网公司线上相当部分的服务端业务都使用了 G1 来做垃圾回收,这里将 G1 的特点着重讲一下.具体算法细节参考 Garbage-First garbage collection
4.1概述
G1是一种面向服务端的垃圾收集器，主要用于在多处理器、大内存的服务器中尽可能的提供弱实时(soft real-time)、高吞吐量的垃圾收集。
G1 基于整个堆(heap)的操作,比如全局标记(global marking)等手段采用和工作线程(mutation，后续以Mutator表示工作线程)并发方式来避免因为较大的堆或者较多的存活数据造成的长时间中断。
并发标记采用压缩式的evacuation(将待回收分区中的存活数据迁移或复制到新的分区中)实现垃圾回收和分区的年龄增长。
迁移也是通过多个线程并行来提高吞吐量。
4.2 特点
- 并行与并发：G1能充分利用多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停顿的时间，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：与其他收集器一样，分代概念在G1中依然得以保留。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，但它能够采用不同的方式去处理新创建的对象和已经存活了一段时间、熬过多次GC的旧对象以获取更好的收集效果。
- 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（两个Region之间）上来看是基于“复制”算法实现的，但无论如何，这两种算法都意味着G1运作期间不会产生内存空间碎片，收集后能提供规整的可用内存。这种特性有利于程序长时间运行，分配大对象时不会因为无法找到连续内存空间而提前触发下一次GC。
- 可预测的停顿：这是G1相对于CMS的另一大优势，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，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。
- 在G1之前的其他收集器进行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堆的内存布局就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离的了，它们都是一部分Region（不需要连续）的集合。
- G1收集器之所以能建立可预测的停顿时间模型，是因为它可以有计划地避免在整个Java堆中进行全区域的垃圾收集。G1跟踪各个Region里面的垃圾堆积的价值大小（回收所获得的空间大小以及回收所需时间的经验值），在后台维护一个优先列表，每次根据允许的收集时间，优先回收价值最大的Region（这也就是Garbage-First名称的来由）。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G1收集器在有限的时间内可以获取尽可能高的收集效率。
4.3 相关概念
- 弱实时目标(soft real-time goal):在y ms的时间片内，因垃圾回收造成的停顿不允许超过x ms。
通过指定这样明确的目标，垃圾收集器可以尽可能较少停顿时间以及停顿频率，但也不至于降低吞吐量或者增加垃圾收集的周期(footprint)
G1垃圾收集算法就致力于在拥有较大内存、较高分配率(allocation rate)、多处理器的机器上满足这样的弱实时目标，并且维持较高的吞吐量。 - regions:整个堆被分成一些列大小相等的区(regions),G1将新生代，老年代的物理空间划分取消了
使用G1收集器时，Java堆的内存布局就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离的了，它们都是一部分Region（不需要连续）的集合。
在G1中，还有一种特殊的区域，叫Humongous区域。 如果一个对象占用的空间超过了分区容量50%以上，G1收集器就认为这是一个巨型对象。这些巨型对象，默认直接会被分配在年老代，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。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。”
- Rset: emembered sets 记忆集,作用是跟踪指向某个heap区内的对象引用
5.参考文献
- 深入理解Java G1垃圾收集器 https://www.cnblogs.com/ASPNET2008/p/6496481.html
- java 常见的垃圾收集器有哪些? https://time.geekbang.org/column/article/10513
- 什么是 java 内存模型? https://www.jianshu.com/p/bf158fbb2432
- 深入理解 java 内存模型 https://www.jianshu.com/p/15106e9c4bf3
- 《深入理解 java 虚拟机 第三版》
- 《垃圾回收的算法与实现》
- jvm 内存区域的划分https://time.geekbang.org/column/article/10192
- 《Garbage-First garbage collection》 https://www.researchgate.net/publication/221032945_Garbage-First_garbage_collection
中文译文 https://www.jianshu.com/p/78e2d8579935