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

深入聊聊Java 垃圾回收机制【附原理图及调优方法】_第1张图片

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

深入聊聊Java 垃圾回收机制【附原理图及调优方法】_第2张图片


2、垃圾回收算法

2.1 标记清除

定义:Mark Sweep

描述:分为标记清除两阶段: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。

深入聊聊Java 垃圾回收机制【附原理图及调优方法】_第3张图片

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

深入聊聊Java 垃圾回收机制【附原理图及调优方法】_第4张图片

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。

深入聊聊Java 垃圾回收机制【附原理图及调优方法】_第5张图片


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。

深入聊聊Java 垃圾回收机制【附原理图及调优方法】_第6张图片

  • 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

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

深入聊聊Java 垃圾回收机制【附原理图及调优方法】_第7张图片

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

深入聊聊Java 垃圾回收机制【附原理图及调优方法】_第8张图片

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 

深入聊聊Java 垃圾回收机制【附原理图及调优方法】_第9张图片

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

深入聊聊Java 垃圾回收机制【附原理图及调优方法】_第10张图片

  • Young Collection

  • Young Collection + Concurrent Mark

  • Mixed Collection

2) Young Collection 新生代回收

  • 会STW

深入聊聊Java 垃圾回收机制【附原理图及调优方法】_第11张图片

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

深入聊聊Java 垃圾回收机制【附原理图及调优方法】_第12张图片

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

深入聊聊Java 垃圾回收机制【附原理图及调优方法】_第13张图片

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%)

深入聊聊Java 垃圾回收机制【附原理图及调优方法】_第14张图片

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

深入聊聊Java 垃圾回收机制【附原理图及调优方法】_第15张图片

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。

深入聊聊Java 垃圾回收机制【附原理图及调优方法】_第16张图片

  • 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

深入聊聊Java 垃圾回收机制【附原理图及调优方法】_第17张图片

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

深入聊聊Java 垃圾回收机制【附原理图及调优方法】_第18张图片

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:

深入聊聊Java 垃圾回收机制【附原理图及调优方法】_第19张图片

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


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

深入聊聊Java 垃圾回收机制【附原理图及调优方法】_第20张图片

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%。 


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

如果你觉得文章不错,文末的赞 ???? 又回来啦,记得给我「点赞」和「在看」哦~

你可能感兴趣的:(深入聊聊Java 垃圾回收机制【附原理图及调优方法】)