Java JVM 内存垃圾回收机制

一、垃圾回收原理

内存结构：

• 方法区：主要是存储类信息，常量池（static 常量和 static 变量），编译后的代码（字
• 节码）等数据
• 堆：初始化的对象，成员变量 （那种非 static 的变量），所有的对象实例和数组都要
• 在堆上分配
• 栈：栈的结构是栈帧组成的，调用一个方法就压入一帧，帧上面存储局部变量表，操
• 作数栈，方法出口等信息，局部变量表存放的是 8 大基础类型加上一个应用类型，所
• 以还是一个指向地址的指针
• 本地方法栈：主要为 Native 方法服务
• 程序计数器：记录当前线程执行的行号

分类：

• 新生代 GC（Minor GC）：其中包括Eden、Survival from to
  • Eden区：Eden区位于Java堆的年轻代，是新对象分配内存的地方，由于堆是所有线程共享的，因此在堆上分配内存需要加锁。而Sun JDK为提升效率，会为每个新建的线程在Eden上分配一块独立的空间由该线程独享，这块空间称为TLAB（Thread Local Allocation Buffer）。在TLAB上分配内存不需要加锁，因此JVM在给线程中的对象分配内存时会尽量在TLAB上分配。如果对象过大或TLAB用完，则仍然在堆上进行分配。如果Eden区内存也用完了，则会进行一次Minor GC（young GC）。
  • Survival from to：Survival区与Eden区相同都在Java堆的年轻代。Survival区有两块，一块称为from区，另一块为to区，这两个区是相对的，在发生一次Minor GC后，from区就会和to区互换。在发生Minor GC时，Eden区和Survivalfrom区会把一些仍然存活的对象复制进Survival to区，并清除内存。Survival to区会把一些存活得足够旧的对象移至年老代。
• 老年代 GC（Full GC）：年老代里存放的都是存活时间较久的，大小较大的对象，因此年老代使用标记整理算法。当年老代容量满的时候，会触发一次Major GC（full GC），回收年老代和年轻代中不再被使用的对象资源。
  • System.gc()强制执行的GC为Full GC

minorGC过程详解

1. 在初始阶段，新创建的对象被分配到Eden区，survivor的两块空间都为空。
2. 当Eden区满了的时候，minor garbage 被触发 。
3. 经过扫描与标记，存活的对象被复制到S0，不存活的对象被回收， 并且存活的对象年龄都增大一岁
4. 在下一次的Minor GC中，Eden区的情况和上面一致，没有引用的对象被回收，存活的对象被复制到survivor区。当Eden 和 s0区空间满了，S0的所有的数据都被复制到S1，需要注意的是，在上次minor GC过程中移动到S0中的两个对象在复制到S1后其年龄要加1。此时Eden区S0区被清空，所有存活的数据都复制到了S1区，并且S1区存在着年龄不一样的对象。
5. 再下一次MinorGC则重复这个过程，这一次survivor的两个区对换，存活的对象被复制到S0，存活的对象年龄加1，Eden区和另一个survivor区被清空。
6. 再经过几次Minor GC之后，当存活对象的年龄达到一个阈值之后（-XX：MaxTenuringThreshold默认是15），就会被从年轻代Promotion到老年代。
7. 随着MinorGC一次又一次的进行，不断会有新的对象被promote到老年代。

引用类型：

• 强引用：发生 gc 的时候不会被回收。
• 软引用：有用但不是必须的对象，在发生内存溢出之前会被回收。
• 弱引用：有用但不是必须的对象，在下一次GC时会被回收。
• 虚引用（幽灵引用/幻影引用）：无法通过虚引用获得对象，用 PhantomReference 实现虚引用，虚引用的用途是在 gc 时返回一个通知。

java 类加载过程：

加载

查找并加载类的二进制数据（把 class 文件里面的信息加载到内存里面）

验证

把内存中类的二进制数据合并到虚拟机的运行时环境中

验证的目的是为了确保 Class 文件的字节流中的信息不会危害到虚拟机. 在该阶段主要完成,

以下四钟验证:

• 文件格式验证：验证字节流是否符合 Class 文件的规范，如主次版本号是否在当前虚拟机范围内，常量池中的常量是否有不被支持的类型.
• 元数据验证: 对字节码描述的信息进行语义分析，如这个类是否有父类，是否集成了不被继承的类等。
• 字节码验证：是整个验证过程中最复杂的一个阶段，通过验证数据流和控制流的分析，确定程序语义是否正确，主要针对方法体的验证。如：方法中的类型转换是否正确，跳转指令是否正确等。
• 符号引用验证：这个动作在后面的解析过程中发生，主要是为了确保解析动作能正确执行。

准备

准备阶段是为类的静态变量分配内存并将其初始化为默认值，这些内存都将在方法区中进行分配。准备阶段不分配类中的实例变量的内存，实例变量将会在对象实例化时随着对象一起分配在 Java 堆中。

public static int value=123;// 在准备阶段 value 初始值为 0 。在初始化阶段才会变为 123 。

解析

该阶段主要完成符号引用到直接引用的转换动作。解析动作并不一定在初始化动作完成之前，也有可能在初始化之后。

把类中的符号引用转化为直接引用（比如说方法的符号引用，是有方法名和相关描述符组成，在解析阶段，JVM 把符号引用替换成一个指针，这个指针就是直接引用，它指向该类的该方法在方法区中的内存位置）

初始化

为类的静态变量赋予正确的初始值。当静态变量的等号右边的值是一个常量表达式时，不会调用 static 代码块进行初始化。只有等号右边的值是一个运行时运算出来的值，才会调用 static 初始化。

初始化时类加载的最后一步，前面的类加载过程，除了在加载阶段用户应用程序可以通过自定义类加载器参与之外，其余动作完全由虚拟机主导和控制。到了初始化阶段，才真正开始执行类中定义的 Java 程序代码。

类加载器

虚拟机将加载动作放到了Java虚拟机外部去实现，以便让应用程序自己决定如何去获取所需要的类。实现这个动作的代码模块称之为“类加载器”。

系统提供的3种类加载器

1. 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：负责将存放在\lib目录中，或者被-Xbootclasspath参数所指定的路径中的，并且是虚拟机识别的类库加载到虚拟机内存中。（注：仅按照文件名识别，如rt.jar，名字不符合的类库即使放在lib目录中也不会被加载）
2. 扩展类加载器（Extension ClassLoader）：负责加载\lib\ext目录中的，或被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中的所有类库，开发者可以直接使用扩展类加载器。
3. 应用程序类加载器（Application ClassLoader）：负责加载用户路径（ClassPath)上所指定的类库，开发者可以直接使用这个类加载器，一般情况下该类加载是程序中默认的类加载器。

双亲委派

双亲委派原则的用处：

1. 避免重复加载同一个类；
2. 防止用户任意修改java中的类；

双亲委派：

如果一个类加载器收到类加载的请求，他首先不会自己去尝试加载这个类，而是把请求委派给父类加载器去完成，每一层次的类加载器都是这样，因此所有的加载请求最终都应该传送到底层的启动类加载器中，只有当父类加载器反馈自己无法完成这个加载请求时（在它的加载路径下没有找到所需加载的Class），子类加载器才会尝试去加载。

二、判断对象是否可以被回收

引用计数器法：

为每个对象创建一个引用计数，有对象引用时计数器 +1，引用被释放时计数 -1，当计数器为 0 时就可以被回收。但是他有一个缺点是不能解决循环引用的问题。

可达性分析算法（主流）：

从 GC Roots 开始向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链。当一个对象到 GC Roots 没有任何引用链相连时，则证明此对象是可以被回收的。

GC Roots

• JavaStack中的引用的对象。
• 方法区中静态引用指向的对象。
• 方法区中常量引用指向的对象。
• Native方法中JNI引用的对象。

三、垃圾回收算法

1.标记-清除算法：

说明：标记无用对象，然后进行清除回收。
该算法分为两个阶段，标记和清除。

• 标记阶段标记所有需要回收的对象
• 清除阶段回收被标记的对象所占用的空间。

缺点：效率不高，无法清除垃圾碎片。
问题：该算法最大的问题就是内存碎片严重化，后续可能发生对象不能找到利用空间的问题。

2.复制算法：

说明：按照容量划分二个大小相等的内存区域，当一块用完的时候将活着的对象复制到另一块上，然后再把已使用的内存空间一次清理掉。

按内存容量将内存划分为等大小的两块。每次只使用其中一块，当这一块内存满后将尚存活的对象复制到另一块上去，把已使用的内存清掉。

缺点：内存使用率不高，只有原来的一半。

3.标记-整理算法：

说明：标记无用对象，让所有存活的对象都向一端移动，然后直接清除掉端边界以外的内存。

标记后不是清理对象，而是将存活对象移向内存的一端。然后清除端边界外的对象。

4.分代算法：

说明：根据对象存活周期的不同将内存划分为几块，一般是新生代和老年代，新生代基本采用复制算法，老年代采用标记整理算法。

当前商业虚拟机都采用分代收集的垃圾收集算法。分代收集算法，顾名思义是根据对象的存活周期将内存划分为几块。一般包括年轻代、老年代 和 永久代。

四、垃圾收集器

Java 堆内存被划分为新生代和年老代两部分，新生代主要使用复制和标记-清除垃圾回收算法；
年老代主要使用标记-整理垃圾回收算法，因此 java 虚拟中针对新生代和年老代分别提供了多种不同的垃圾收集器

回收新生代收集器

• Serial收集器（复制算法): 新生代单线程收集器，标记和清理都是单线程，优点是简单高效；
• PraNew收集器 (复制算法): 新生代收并行集器，实际上是Serial收集器的多线程版本，在多核CPU环境下有着比Serial更好的表现；
• Parallel Scavenge收集器 (复制算法): 新生代默认 新生代并行收集器，追求高吞吐量，高效利用 CPU。吞吐量 = 用户线程时间/(用户线程时间+GC线程时间)，高吞吐量可以高效率的利用CPU时间，尽快完成程序的运算任务，适合后台应用等对交互相应要求不高的场景；

回收老年代收集器

• Serial Old收集器 (标记-整理算法): 老年代单线程收集器，Serial收集器的老年代版本；
• Parallel Old收集器 (标记-整理算法)：老年代默认， 老年代并行收集器，吞吐量优先，Parallel Scavenge收集器的老年代版本；
• CMS(Concurrent Mark Sweep)收集器（标记-清除算法）： 老年代并行收集器，以获取最短回收停顿时间为目标的收集器，具有高并发、低停顿的特点，追求最短GC回收停顿时间。

• G1(Garbage First)收集器 (标记-整理算法)： Java堆并行收集器，G1收集器是JDK1.7提供的一个新收集器，G1收集器基于“标记-整理”算法实现，也就是说不会产生内存碎片。此外，G1收集器不同于之前的收集器的一个重要特点是：G1回收的范围是整个Java堆(包括新生代，老年代)，而前六种收集器回收的范围仅限于新生代或老年代。

五、垃圾收集器实践

1、虚拟机默认参数

jdk1.7 默认垃圾收集器Parallel Scavenge(新生代)+Parallel Old(老年代)
jdk1.8 默认垃圾收集器Parallel Scavenge(新生代)+Parallel Old(老年代)
jdk1.9 默认垃圾收集器G1

-XX:+PrintCommandLineFlagsjvm参数可查看默认设置收集器类型
-XX:+PrintGCDetails亦可通过打印的GC日志的新生代、老年代名称判断

2、基础调参

• 串行（Serial）收集器
  • -XX：+UseSerialGC(新生代和老年代都使用串行回收器)
  • -XX：+UseSerialOldGC
  • 说明：只能有一个垃圾回收线程执行，用户线程暂停。 适用于内存比较小的嵌入式设备（100M 左右）。
• 并行（Parallel）收集器[吞吐量优先]
  • -XX：+UseParallelGC(新生代使用并行回收收集器，老年代使用串行收集器)
  • -XX：+UseParallelOldGC(新生代，老年代都使用并行回收收集器)
  • -XX: +UseParNewGC(新生代使用并行收集器，老年代使用串行回收收集器)
  • -XX: +UseConcMarkSweepGC(新生代使用并行收集器，老年代使用CMS)
  • -XX: +UseG1GC(G1收集器)
  • 说明：多条垃圾收集线程并行工作，但此时用户线程仍然处于等待状态。 适用于科学计算、后台处理等弱交互场景 。
  • 其他：
    • 使用-XX:ParallelGCThreads= 设置并行垃圾回收的线程数。此值可以设置与机器处理器数量相等。
    • 最大垃圾回收暂停: 指定垃圾回收时的最长暂停时间，通过-XX:MaxGCPauseMillis= 指定。为毫秒.如果指定了此值的话，堆大小和垃圾回收相关参数会进行调整以达到指定值。设定此值可能会减少应用的吞吐量。
    • 吞吐量: 吞吐量为垃圾回收时间与非垃圾回收时间的比值 ，通过-XX:GCTimeRatio= 来设定，公式为1/（1+N） 。例如，-XX:GCTimeRatio=19时，表示5%的时间用于垃圾回收。默认情况为99，即1%的时间用于垃圾回收。
• 并发（Concurrent）收集器[停顿时间优先]
  • -XX：+UseConcMarkSweepGC(新生代使用并行收集器，老年代使用CMS)
  • -XX：+UseG1GC(G1收集器)
  • 说明：用户线程和垃圾收集线程同时执行(但并不一定是并行的，可能是交替执行的)，垃圾收集线程在执行的时候不会停顿用户线程的运行。 适用于相对时间有要求的场景，比如Web 。