深入聊聊Java 垃圾回收机制【附原理图及调优方法】

1、如何判断对象可以回收

1.1 引用计数法

每个对象有一个引用计数器，当对象被引用一次则计数器加1，当对象引用失效一次则计数器减1，对于计数器为0的对象意味着是垃圾对象，可以被GC回收。

• 引用计数法优点：实现逻辑简单

• 引用计数法缺点：无法解决循环引用问题；目前没有在使用

1.2 可达性分析算法

从GC Roots作为起点开始搜索，那么整个连通图中的对象便都是活对象，对于GC Roots无法到达的对象便成了垃圾回收的对象，随时可被GC回收。

• Java 虚拟机中的垃圾回收器采用可达性分析来探索所有存活的对象

• 扫描堆中的对象，看是否能够沿着 GC Root 对象 为起点的引用链找到该对象，找不到表示可以回收

哪些对象可以作为GC Root ？

1. 虚拟机栈(栈帧中的局部变量区,也叫做局部变量表

2. 方法区中的类静态属性引用的对象。

3. 方法区中常量引用的对象

4. 本地方法栈中N( Native方法)引用的对象

1.3 四种引用：强、软、弱、虚引用

1. 强引用

• 只有所有GC Roots 对象都不通过【强引用】引用该对象，该对象才能被垃圾回收

2. 软引用（SoftReference）

• 仅有软引用引用该对象时，在垃圾回收后，内存仍不足时会再次触发垃圾回收，回收软引用对象

• 可以配合引用队列来释放软引用自身

3. 弱引用（WeakReference）

• 仅有弱引用引用该对象时，在垃圾回收时，无论内存是否充足，都会回收弱引用对象

• 可以配合引用队列来释放弱引用自身

4. 虚引用（PhantomReference）

• 必须配合引用队列使用，主要配合ByteBuffer使用，被引用对象回收时，会将虚引用入队，由Reference Handler线程调用虚引用相关方法释放直接内存

5. 终结器引用（FinalReference）

• 无需手动编码，但其内部配合引用队列使用，在垃圾回收时，终结器引用入队（被引用对象暂时没有被回收），再由Finalizer线程通过终结器引用找到被引用对象并调用它的 finalize方法，第二次GC 时才能回收被引用对象

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2、垃圾回收算法

2.1 标记清除

定义：Mark Sweep

描述：分为标记和清除两阶段：首先标记出所有需要回收的对象，然后统一回收所有被标记的对象。

• 速度较快

• 会造成内存碎片，导致在程序运行过程中需要分配较大对象的时候，无法找到足够的连续内存而不得不提前触发一次垃圾收集动作。

2.2 标记整理

定义：Mark Compact

描述：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。

• 速度慢

• 没有内存碎片

2.3 复制

定义：Copy

描述：将可用内存容量划分为大小相等的两块，每次只用其中一块。当这块内存用完了，就将还存活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。

• 不会有内存碎片，但效率也不是很高

• 需要占用双倍内存空间

优点：自带整理功能，这样不会产生大量不连续的内存空间，适合老年代的大对象存储。

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3、分代垃圾回收

当前商业虚拟机的垃圾收集都采用分代收集。此算法没啥新鲜的，就是将上述三种算法整合了一下。具体如下：

根据各个年代的特点采取最适当的收集算法：

1. 在新生代中，每次垃圾收集时候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。

2. 老年代中因为对象存活率高、没有额外空间对他进行分配担保，就必须用标记-清除或者标记-整理。

• 对象首先分配在伊甸园区域

• 新生代空间不足时，触发minor gc，伊甸园 和 from存活的对象使用 copy 复制到 to中，存活的对象年龄加1 并且交换 from to

• minor gc 会引发stop the word，暂停其它用户线程，等垃圾回收结束，用户线程才恢复运行

• 当对象寿命超过阈值时，会晋升至老年代，最大寿命15 （4bit）

• 当老年代空间不足，会先尝试触发minor gc，如果之后空间仍不足，那么触发full gc，STW的时间更长

3.1 相关JVM参数

相关JVM参数

含义	参数	备注
堆初始大小	-Xms
堆最大大小	-Xmx 或 -XX:MaxHeapSize=size
新生代大小	-Xmn 或（-XX:NewSize=size + -XX:MaxNewSize=size）
幸存区比例（动态）	-XX:InitialSurvivorRatio=ratio 和 -XX:+UseAdaptiveSizePolicy
幸存区比例	-XX:SurvivorRatio=ratio
晋升阈值	-XX:MaxTenuringThreshold=threshold
晋升详情	-XX:+PrintTenuringDistribution
GC详情	-XX:+PrintGCDetails -verbose:gc
FullGC前 MinorGC	-XX:+ScavengeBeforeFullGC

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4、垃圾回收器

4.1 串行

Serial（串行）垃圾收集器是最基本、发展历史最悠久的收集器；JDK1.3.1前是HotSpot新生代收集的唯一选择；

• 单线程

• 针对新生代

• 采用复制算法

• 进行垃圾收集时，必须暂停所有工作线程，直到完成

• 堆内存较小，适合个人电脑

-XX:+UseSerialGC = Serial + SerialOld  // -XX:+UseSerialGC   添加该参数来显示的使用串行垃圾收集器

4.2 吞吐量优先

• 多线程

• 堆内存较大，多核CPU

• 让单位时间内，STW的时间最短 0.2  0.2 = 0.4

-XX:+UseParallelGC    ~    -XX:+UseParallelOldGC // JDK1.8默认开启，只要开启UseParallelGC，就对应开启
-XX:+UseAdaptiveSizePolicy  // 自适应动态调整伊甸园和幸存区的内存比例
-XX:GCTimeRatio=ratio       // 目标1：1 / (1 + ratio)  一般设置ratio为19，20分钟垃圾回收不超过1分钟；会动态调整堆空间大小适应
-XX:MaxGCPauseMillis=ms     // 目标2：最大暂停用户线程时间，默认200ms
-XX:ParallelGCThreads=n     // 垃圾回收线程数
                            // 垃圾回收时，CPU会飚得很高

4.3 响应时间优先

• 多线程

• 堆内存较大，多核CPU

• 尽可能让单次STW的时间最短 0.1  0.1  0.1  0.1  0.1 = 0.5

-XX:+UseConcMarkSweepGC   ~    -XX:+UseParNewGC     ~     SerialOld
-XX:ParallelGCThreads=n   ~    -XX:ConcGCThread=threads // ParallelGCThreads为4，则ConcGCThread应该是ParallelGCThreads的1/4，对CPU占用没有Par那么高
-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=percent // 执行CMS执行占比，预留空间给浮动垃圾
-XX:+CMSScavengeBeforeRemark   // 在CMS垃圾标记前开启新生代垃圾回收，这样重新标记对象要少得多，Full GC时间从接近2秒，降低到300ms左右
//CMS致命问题：CMS会产生内存碎片，如果内存碎片过多，垃圾回收会退化到SerialOld单线程垃圾回收器

初始标记非常快，不影响用户工作工程；并发标记 

初始标记：仅仅标记GC Roots的直接关联对象，并且STW；

并发标记：使用GC Roots Tracing算法，进行跟踪标记，不会STW；因为之前并发标记，其他用户线程不暂停，可能产生了新垃圾，所以重新标记。

JAVA 堆垃圾回收示例：

// GC 分析 大对象OOM
public class T01_Gc_Demo01 {
    private static final int _512KB = 512 * 1024;
    private static final int _1MB = 1024 * 1024;
    private static final int _6MB = 6 * 1024 * 1024;
    private static final int _7MB = 7 * 1024 * 1024;
    private static final int _8MB = 8 * 1024 * 1024;
 
    // -Xms20M -Xmx20M -Xmn10M -XX:+UseSerialGC -XX:+PrintGCDetails -verbose:gc
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
//        ArrayList list = new ArrayList<>();
//        list.add(new byte[_8MB]);
//        list.add(new byte[_8MB]);
 
        // 一个线程OOM，不会导致整个进程挂掉
        new Thread(() -> {
            ArrayList list = new ArrayList<>();
            list.add(new byte[_8MB]);
            list.add(new byte[_8MB]);
        }, "Thread01").start();
 
        System.out.println("sleep...");
        TimeUnit.SECONDS.sleep(10);
    }
}

4.4 G1 垃圾回收器 

定义：Garbage First，优先回收最有价值的垃圾区域，达到暂停时间不短的目标

• 2004 论文发布

• 2009JDK 6u14体验

• 2012 JDK 7u4官方支持

• 2017 JDK 9默认，同时废弃了CMS垃圾回收

适用场景

• 同时注重吞吐量（Throughput）和低延迟（Low latency），默认的暂停目标是200ms

• 超大堆内存，会将堆划分为多个大小相等的Region (区域)

• 整体上是标记 + 整理算法，两个区域之间是复制算法

相关JVM参数

• -XX:+UseG1GC

• -XX:G1HeapRegionSize=size   // 设置Region区域大小

• -XX:MaxGCPauseMillis=time   // 设置暂停目标，默认是200ms

总结：G1垃圾回收器，使用标记-整理算法，可以避免CMS标记-清除算法产生的内存碎片问题；在两个Region区域之间，则是使用复制算法。JDK8没有默认G1垃圾回收器，需要手动开启G1

1）G1垃圾回收阶段

• Young Collection

• Young Collection + Concurrent Mark

• Mixed Collection

2) Young Collection 新生代回收

• 会STW

如果伊甸园进行垃圾回收，则会将伊甸园区存活的对象使用复制算法到Survivor区

当Survivor进行垃圾回收时，对象年龄超过15次，放入老年代；年龄不足15次放入另一个Survivor区域

3) Young Collection + CM（新生代回收+CM）

• 在Young GC 时会 GC Root 的初始标记

• 老年代占用堆空间比例达到阈值时，进行并发标记（不会STW），由下面的JVM参数决定

-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=percent (默认45%)

4）Mixed Collection (混合回收)

会对E、S、O进行全面垃圾回收

• 最终标记（Remark）会STW

• 拷贝存活（Evacuation）会STW ，并不是所有老年代区域都会回收，而是回收最有价值

-XX:MaxGCPauseMillis=ms

5）Full GC

• Serial GC

• 新生代内存不足发生的垃圾收集 - minor gc

• 老年代内存不足发生的垃圾收集 - full gc

• Parallel GC

• 新生代内存不足发生的垃圾收集 - minor gc

• 老年代内存不足发生的垃圾收集 - full gc

• CMS

• 新生代内存不足发生的垃圾收集 - minor gc

• 老年代内存不足，当回收速度高于垃圾产生的速度，后台不会有full gc字样

• G1

• 新生代内存不足发生的垃圾收集 - minor gc

• 老年代内存不足，当回收速度高于垃圾产生的速度，后台不会有full gc字样

6）Young Collection 跨代引用

• 新生代回收的跨代引用（老年代引用新生代）问题

如果遍历整个老年代根对象，显然效率会非常低；老年代设计对应一个卡表，每个卡512K，如果某个卡中的对象引用了对象，我们将此卡标记为脏卡，减少扫描范围，提升垃圾回收效率。

• 卡表与Remembered Set

• 在引用变更时通过 post-write barrier + dirty card queue

• concurrent refinement threads 更新Remembered Set

7）Remark 重标记

• pre - write barrier  + satb_mark_queue

在对象引用改变之前，采用写屏障，表示未处理完毕；同时将对象存入一个引用队列进行处理

8）JDK 8u20 字符串去重

• 优点：节省大量内存

• 缺点：略微多占用了cpu时间，新生代回收时间略微增加

-XX:+UseStringDeduplication  // 使用此功能，需要打开此配置，默认是打开

String s1 = new String("hello"); // char[]{'h','e','l','l','o'}
String s2 = new String("hello"); // char[]{'h','e','l','l','o'}

• 将所有新分配的字符串放入一个队列

• 当新生代回收时，G1并发检查是否字符串重复

• 如果它们值一样，让它们引用同一个char[]

• 注意，与String.intern() 不一样

• String.intern() 关注的是字符串对象

• 而字符串去重关注的是 char[] 

• 在JVM 内部，使用了不同的字符串表

9）JDK 8u40 并发标记类卸载

所有对象都经过并发标记后，就能知道哪些类不再被使用，当一个类加载器的所有类都不再使用，则卸载它所加载的所有类

-XX:+ClassUnloadingWithConcurrentMark 默认启用

10）JDK 8u60回收巨型对象

• 一个对象大于region的一半时，称之为巨型对象

• G1 不会对巨型对象进行拷贝

• 回收时被优先考虑

• G1 会跟踪老年代所有 incoming 引用，这样老年代incoming 引用为0的巨型对象就可以在新生代垃圾回收时处理掉

如下图，巨型对象在G1垃圾回收模型情况：

11）JDK 9 并发标记起始时间的调整

• 并发标记必须在堆空间占满前完成，否则退化为Full GC （如果垃圾回收回收速度跟不上垃圾产生的速度，最终会Full GC）

• JDK9 之前需要使用 -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent  (默认45%)

• JDK9 可以动态调整，更加合理；尽可能避免并发垃圾回收退化Full GC垃圾回收

• -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent 用来设置初始值

• 进行数据采样并动态调整

• 总会添加一个安全的空档空间

12）JDK9 更高效的回收

• 250+ 增强

• 180+bug 修复

• https://docs.oracle.com/en/java/javase/12/gctuning

• G1 更加成熟、更加稳定

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5、垃圾回收调优

预备知识

• 掌握GC 相关的JVM参数，会基本的空间调整

• 主要参考官网、更权威：https://docs.oracle.com/en/java/javase/11/tools/java.html

• 查看虚拟机运行参数：java -XX:+PrintFlagsFinal -version | findstr "GC"

• 掌握相关工具

• 明白一点：调优跟应用、环境有关、没有放之四海纳而皆准的法则

调优原则：让长时间存活对象尽快晋升，如果长时间存活对象大量停留在新生代，新生代采用复制算法，复制来复制去，性能较低而且是个负担

5.1 调优领域

• 内存

• 锁竞争

• cpu占用

• io

5.2 确定目标

• 【低延迟】还是【高吞吐量】，选择合适的回收器

• CMS，G1， ZGC

• ParallelGC

• Zing

科学运算，追求高吞吐量；互联网项目追求低延迟；高吞吐量垃圾回收，目前没有太多选择就一下ParallelGC；

低延迟垃圾回收，可以选CMS，G1， ZGC。目前互联公司还是很多在用CMS，JDK9 默认G1，不推荐CMS；因为CMS采用标记-清除算法会产生内存碎片，内存碎片多了之后会退化为serialOld，产生大幅度、长时间停顿，给用户的体验是不稳定

5.3 最快的GC是不生发GC

• 查看Full GC 前后内存占用，考虑下面几个问题：自己的代码是否存在问题

• 比如定义了一个静态的Map，static Map map = ，然后不停地向里面添加数据

• 在内存紧张时，可以使用软引用

• 在内存不足时，可以使用弱引用

• 缓存数据时，尽量使用第三方缓存实现，比如redis/memcache，减少对堆内存依赖

• 对象图

• java对象最小也是16字节，Integer 16字节， int 4；所以我们在选则数据类型时尽量选用基本数据类型

• resultSet = statement.executeQuery("select * from 大表") ，可以加限定条数 limit n

• 数据是不是太多？

• 数据表示是否太臃肿

• 是否存在内存泄漏？

5.4 新生代调优

• 新生代的特点

• TLAB  thread-local allocation buffer，线程局部缓冲区，线程使用自己私有区域分配对象内存

• 所有的new 操作的内存分配非常廉价

• 死亡对象的回收代价是零；因为采用复制算法，存活的对象使用复制算法到Survivor区域，剩下都是需要被回收的

• 大部分对象用过即死，只有少数对象存活

• Minor GC 的时间远远低于Full GC

• 新生代优化空间更大一些

如何给新生代调优呢？是不是将新生代内存调得越大越好？下面是Oracle官方文档说明截图

网页链接：https://docs.oracle.com/en/java/javase/11/tools/java.html#GUID-3B1CE181-CD30-4178-9602-230B800D4FAE

上述大致中文翻译：设置年轻代的堆的初始大小和最大大小（以字节为单位）。字母k或K表示千字节，m或M表示兆字节，g或G表示千兆字节。堆的年轻代区域用于新对象。与其他区域相比，在该区域执行GC的频率更高。如果年轻代设置太小，则会执行大量 minor gc垃圾回收。如果设置太大，则仅执行full gc垃圾回收才有效，这可能需要很长时间才能完成。Oracle官方建议设置年轻代的大小保持大于堆总大小的25％，并且小于堆总大小的50％。 

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总结：新生代，还是需要调大一些，因为新生代采用复制算法，需要移动对象，复制算法性能效率较低。

公式：新生代能容纳所有【并发量 * （请求 - 响应）】的数据

• 幸存区大到能保留【当前活跃对象 + 需要晋升对象】，原则就是让真正需要进入老年代的对象才进入老年代。

• 晋升阈值配置得当，让长时间存活对象尽快晋升
  -XX:MaxTenuringThreshold=threshold     //  设置年龄阈值，大值为15。并行（吞吐量）收集器的默认值为15，而CMS收集器的默认值为6。
  -XX:+PrintTenuringDistribution                  //  启用打印保有权年龄信息，这个参数对于设置-XX:MaxTenuringThreshold有很大帮助，阀值需要长时间观察对象分布，设置合理即可。

5.5 老年代调优

以CMS 为例

• CMS的老年代内存越大越好

• 先尝试不做调优，如果没有Full GC 那么老年代已经足够大了；如果有Full GC 则先尝试调优新生代

• 观察发生Full GC 时老年代内存占用，将老年代内存预设调大 1/4  ~  1/3

• -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=percent    // 控制老年代占用空间大小占总空间大小比例，进行CMS垃圾回收；值越小就越早进行垃圾回收，推特工程师有一个演讲建议将此值设置为0，即一有垃圾就回收；一般我们将此值设置75%~80%之间，预留25%-20%给浮动垃圾

5.6 案例

• 案例1：Full GC 和Minor GC频繁(一分钟上百次)，意味着堆内存空间紧张，可能是新生代空间过小，导致不需要晋升到老年代的对象进入老年代，然后老年代空间存在大量这种对象，空间也紧张就是频繁gc；

• 案例2：请求高峰期发生Full GC，单次暂停时间特别长（CMS）；可以重新标记前开启垃圾回收，这样重新标记对象数没有那多，性能有一定提高；

• 案例3：老年代充裕情况下，发生Full GC (1.7) ；可能是JDK1.7永久代空间不足导致内存不足；JDK1.8元空间使用系统内存不易内存溢出

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