读深入理解Java虚拟机-3

前言

   对于Java来说，垃圾回收大部分人都把这个技术作为其伴生的产物，但是实际上GC技术的历史远比Java久远。并且对于我们的程序来说，垃圾回收机制的存在是十分有必要的，在通常情况下，垃圾收集对性能的影响一般有以下几个一般有以下几点：

• 内存泄露
• 程序暂停
• 程序吞吐量下降
• 响应时间慢

垃圾收集的一些基本概念

• Concurrent Collector: 收集的同时可运行其他的工作进程。
• Parallel Collector: 使用多CPU进行垃圾收集。
• Stop-the-word(STW): 收集时必须暂停其他所有的工作进程。
• Sticky-reference-count： 对于使用“引用计数”（reference count）算法的GC，如果对象的计数器溢出，则起不到标记某个对象是垃圾的作用了，这种错误称为sticky-reference-count problem，通常可以增加计数器的bit数来减少出现这个问题的几率，但是那样会占用更多空间。一般如果GC算法能迅速清理完对象，也不容易出现这个问题。
• Mutator：mutate的中文是变异，在GC中即是指一种JVM程序，专门更新对象的状态的，也就是让对象“变异”成为另一种类型，比如变为垃圾。
• On-the-fly：用来描述某个GC的类型：on-the-fly reference count garbage collector，此GC不用标记而是通过引用计数来识别垃圾。
• Generational gc：这是一种相对于传统的“标记-清理”技术来说，比较先进的gc，特点是把对象分成不同的generation，即分成几代人，有年轻的，有年老的。这类gc主要是利用计算机程序的一个特点，即“越年轻的对象越容易死亡”，也就是存活的越久的对象越有机会存活下去。

吞吐量与响应时间

   牵扯到垃圾收集，还需要搞清楚吞吐量与响应时间的含义

• 吞吐量是对单位时间内完成的工作量的量度。如：每分钟的 Web 服务器请求数量。
• 响应时间是提交请求和返回该请求的响应之间使用的时间。如：访问Web页面花费的时间。

   吞吐量与访问时间的关系很复杂，有时可能以响应时间为代价而得到较高的吞吐量，而有时候又要以吞吐量为代价得到较好的响应时间。而在其他情况下，一个单独的更改可能对两者都有提高。通常，平均响应时间越短，系统吞吐量越大；平均响应时间越长，系统吞吐量越小； 但是，系统吞吐量越大，未必平均响应时间越短；因为在某些情况（例如，不增加任何硬件配置）吞吐量的增大，有时会把平均响应时间作为牺牲，来换取一段时间处理更多的请求。

   针对于Java的垃圾回收来说，不同的垃圾回收器会不同程度地影响这两个指标。例如：并行的垃圾收集器，其保证的是吞吐量，会在一定程度上牺牲响应时间。而并发的收集器，则主要保证的是请求的响应时间。

GC的回收流程

1. 找出堆中活着的对象
2. 释放死对象占用的资源
3. 定期调整活对象的位置

GC算法

• Mark-Sweep 标记-清除
• Mark-Sweep-Compact 标记-整理
• Copying Collector 复制算法
• Mark-标记从”GC roots”开始扫描(这里的roots包括线程栈、静态常量等)，给能够沿着roots到达的对象标记为”live”,最终所有能够到达的对象都被标记为”live”,而无法到达的对象则为”dead”。效率和存活对象的数量是线性相关的。
• Sweep-清除扫描堆，定位到所有”dead”对象，并清理掉。效率和堆的大小是线性相关的。
• Compact-压缩对于对象的清除，会产生一些内存碎片，这时候就需要对这些内存进行压缩、整理。包括：relocate(将存货的对象移动到一起，从而释放出连续的可用内存)、remap(收集所有的对象引用指向新的对象地址)。效率和存活对象的数量是线性相关的。
• Copy-复制将内存分为”from”和”to”两个区域，垃圾回收时，将from区域的存活对象整体复制到to区域中。效率和存活对象的数量是线性相关的。

   其中，Copy对比Mark-sweep

1. 内存消耗：copy需要两倍的最大live set内存；mark-sweep则只需要一倍。
2. 效率上：copy与live set成线性相关，效率高；mark-sweep则与堆大小线性相关，效率较低。

分代收集

   分代收集是目前比较先进的垃圾回收方案。有以下几个相关理论:

• 分代假设：大部分对象的寿命很短，“朝生夕死”，重点放在对年青代对象的收集，而且年青代通常只占整个空间的一小部分。
• 把年青代里活的很长的对象移动到老年代。
• 只有当老年代满了才去收集。
• 收集效率明显比不分代高。

   HotSpot虚拟机的分代收集，分为一个Eden区、两个Survivor去以及Old Generation/Tenured区，其中Eden以及Survivor共同组成New Generatiton/Young space。通常将对New Generation进行的回收称为Minor GC;对Old Generation进行的回收称为Major GC，但由于Major GC除并发GC外均需对整个堆以及Permanent Generation进行扫描和回收，因此又称为Full GC。

   分代收集中典型的垃圾收集算法组合描述如下：

• 年青代通常使用Copy算法收集，会stop the world
• 老年代收集一般采用Mark-sweep-compact, 有可能会stop the world，也可以是concurrent或者部分concurrent。

   那么何时进行Minor GC、何时进行Major GC? 一般的过程如下：

• 对象在Eden Space完成内存分配
• 当Eden Space满了，再创建对象，会因为申请不到空间，触发Minor GC，进行New(Eden + S0 或 Eden S1) Generation进行垃圾回收
• Minor GC时，Eden Space不能被回收的对象被放入到空的Survivor（S0或S1，Eden肯定会被清空），另一个Survivor里不能被GC回收的对象也会被放入这个Survivor，始终保证一个Survivor是空的
• 在Step3时，如果发现Survivor区满了，则这些对象被copy到old区，或者Survivor并没有满，但是有些对象已经足够Old，也被放入Old Space。
• 当Old Space被放满之后，进行Full GC

   但这个具体还要看JVM是采用的哪种GC方案。总而言之，内存回收和垃圾收集是比较复杂的原理，很多时候是影响系统性能、并发能力的主要的因素之一，深入理解其运作，对编写的程序有一点影响力。