什么是Java垃圾回收器

Java垃圾回收器是Java虛擬機(jī)(JVM)的三個(gè)重要模塊(另外兩個(gè)是解釋器和多線程機(jī)制)之一，為應(yīng)用程序提供內(nèi)存的自動(dòng)分配(Memory Allocation)、自動(dòng)回收(Garbage Collect)功能，這兩個(gè)操作都發(fā)生在Java堆上(一段內(nèi)存快)。某一個(gè)時(shí)點(diǎn)，一個(gè)對(duì)象如果有一個(gè)以上的引用(Rreference)指向它，那么該對(duì)象就為活著的(Live)，否則死亡(Dead)，視為垃圾，可被垃圾回收器回收再利用。垃圾回收操作需要消耗CPU、線程、時(shí)間等資源，所以容易理解的是垃圾回收操作不是實(shí)時(shí)的發(fā)生(對(duì)象死亡馬上釋放)，當(dāng)內(nèi)存消耗完或者是達(dá)到某一個(gè)指標(biāo)(Threshold,使用內(nèi)存占總內(nèi)存的比列，比如0.75)時(shí)，觸發(fā)垃圾回收操作。有一個(gè)對(duì)象死亡的例外，java.lang.Thread類(lèi)型的對(duì)象即使沒(méi)有引用，只要線程還在運(yùn)行，就不會(huì)被回收。

回收的機(jī)制

依據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可知，Java(包括一些其它高級(jí)語(yǔ)言)里面大多數(shù)對(duì)象生命周期都是短暫的，所以把Java內(nèi)存分代管理。分代的目的無(wú)非就是為不同代的內(nèi)存塊運(yùn)用不同的管理策略(算法)，從而最大化性能。相對(duì)于年老代，通常年輕代要小很多，回收的頻率高，速度快。年老代則回收頻率低，耗時(shí)長(zhǎng)。內(nèi)存在年輕代里面分配，年輕代里面的對(duì)象經(jīng)過(guò)多個(gè)回收周期依然存活的會(huì)自動(dòng)晉升到年老代。

設(shè)計(jì)選型(Design Choices)

設(shè)計(jì)選型影響JVM垃圾回收器的實(shí)現(xiàn)難度，以及JVM的性能指標(biāo)，適用于不同的場(chǎng)景。描述的是回收算法的風(fēng)格特點(diǎn)。

單線程串行回收 VS 多線程并行回收

回收操作自身是否多線程處理的問(wèn)題。單線程回收的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)，碎片少，適用于單核的機(jī)器。多線程并行回收在多核機(jī)器上面可以充分的利用CPU資源，減少回收的時(shí)間，增加生產(chǎn)力，缺點(diǎn)是復(fù)雜且可能有部分碎片沒(méi)有回收。

回收時(shí)暫停應(yīng)用線程 VS 回收和應(yīng)用并發(fā)進(jìn)行

回收操作時(shí)是否暫停應(yīng)用線程的問(wèn)題。暫停應(yīng)用線程的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確、清理得比較干凈、清理的時(shí)間也短(CPU資源獨(dú)占)，缺點(diǎn)是暫停應(yīng)用線程之后會(huì)造成垃圾回收周期內(nèi)應(yīng)用的回應(yīng)時(shí)間拉長(zhǎng)，實(shí)時(shí)性非常高的系統(tǒng)比較敏感?；厥蘸蛻?yīng)用線程并行處理的優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)用反應(yīng)時(shí)間比較平穩(wěn)、缺點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)難度大、清理頻率高、可能有碎片。

不合并釋放的內(nèi)存片段 VS 合并釋放的內(nèi)存片段 VS 把活著的復(fù)制到新的地方

這三個(gè)選型描述的是如何管理死亡的內(nèi)存塊片段。死亡的內(nèi)存片段通常散落在堆的各個(gè)地方，如果不加以管理會(huì)有兩個(gè)問(wèn)題，內(nèi)存分配的時(shí)候因查找可用的內(nèi)存而導(dǎo)致速度慢，小的碎片會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存的浪費(fèi)(比如大的數(shù)組要求大的連續(xù)內(nèi)存片段)。管理有兩種方式，把活著的內(nèi)存挪到內(nèi)存塊的某一端，記錄可用內(nèi)存的開(kāi)始位置，或者干脆把活著的內(nèi)存復(fù)制到一個(gè)新的內(nèi)存區(qū)域，原來(lái)的內(nèi)存塊整個(gè)空出來(lái)。

性能指標(biāo)(Performance Metrics)

①、生產(chǎn)率(Throughput)

一個(gè)較長(zhǎng)的周期(長(zhǎng)的周期才有意義)內(nèi)，非回收時(shí)間占總時(shí)間的比率。度量系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

②、垃圾回收花費(fèi)(Garbage Collection overhead)

一個(gè)較長(zhǎng)的周期內(nèi)，回收時(shí)間占總時(shí)間的比率。與生產(chǎn)率相對(duì)應(yīng)，加起來(lái)為100%。

③、暫停時(shí)間間隔(Pause time)

Java虛擬機(jī)在回收垃圾的時(shí)候，有的算法會(huì)暫停所有應(yīng)用線程的執(zhí)行，某些系統(tǒng)可能對(duì)暫停的時(shí)間間隔比較敏感。

④、回收的頻率(Frequency of collection)

平均多久會(huì)發(fā)生回收操作。

⑤、內(nèi)存占用的大小(Footprint)

如堆的大小。

⑥、實(shí)時(shí)性(Promptness)

自一個(gè)對(duì)象死亡起，經(jīng)過(guò)多久該對(duì)象所占用內(nèi)存被回收。

垃圾回收的類(lèi)型

所有的回收器類(lèi)型都是基于分代技術(shù)。Java HotSpot虛擬機(jī)包含三代，年輕代(Young Generation)、年老代(Old Generation)、永久代(Permanent Generation)。

①永久代

存儲(chǔ)類(lèi)、方法以及它們的描述信息?？梢酝ㄟ^(guò)-XX:PermSize=64m和-XX:MaxPermSize=128m兩個(gè)可選項(xiàng)指定初始大小和最大值。通常 我們不需要調(diào)節(jié)該參數(shù)，默認(rèn)的永久代大小足夠了，不過(guò)如果加載的類(lèi)非常多，不夠用了，調(diào)節(jié)最大值即可。

②年老代

主要存儲(chǔ)年輕代中經(jīng)過(guò)多個(gè)回收周期仍然存活從而升級(jí)的對(duì)象，當(dāng)然對(duì)于一些大的內(nèi)存分配，可能也直接分配到永久代(一個(gè)極端的例子是年輕代根本就存不下)。

③年輕代

絕大多數(shù)的內(nèi)存分配回收動(dòng)作都發(fā)生在年輕代。如下圖所示, 年輕代被劃分為三個(gè)區(qū)域，原始區(qū)(Eden)和兩個(gè)小的存活區(qū)(Survivor)，兩個(gè)存活區(qū)按功能分為From和To。絕大多數(shù)的對(duì)象都在原始區(qū)分配，超過(guò)一個(gè)垃圾回收操作仍然存活的對(duì)象放到存活區(qū)。

串行回收器(Serial Collector)

單線程執(zhí)行回收操作，回收期間暫停所有應(yīng)用線程的執(zhí)行，client模式下的默認(rèn)回收器，通過(guò)-XX:+UseSerialGC命令行可選項(xiàng)強(qiáng)制指定。

①年輕代的回收算法(Minor Collection)

把Eden區(qū)的存活對(duì)象移到To區(qū)，To區(qū)裝不下直接移到年老代，把From區(qū)的移到To區(qū)，To區(qū)裝不下直接移到年老代，F(xiàn)rom區(qū)里面年齡很大的升級(jí)到年老代。 回收結(jié)束之后，Eden和From區(qū)都為空，此時(shí)把From和To的功能互換，F(xiàn)rom變To，To變From，每一輪回收之前To都是空的。設(shè)計(jì)的選型為復(fù)制。

②年老代的回收算法(Full Collection)

年老代的回收分為三個(gè)步驟，標(biāo)記(Mark)、清除(Sweep)、合并(Compact)。標(biāo)記階段把所有存活的對(duì)象標(biāo)記出來(lái)，清除階段釋放所有死亡的對(duì)象，合并階段 把所有活著的對(duì)象合并到年老代的前部分，把空閑的片段都留到后面。設(shè)計(jì)的選型為合并，減少內(nèi)存的碎片。

并行回收器(Parallel Collector)

使用多個(gè)線程同時(shí)進(jìn)行垃圾回收，多核環(huán)境里面可以充分的利用CPU資源，減少回收時(shí)間，增加JVM生產(chǎn)率，Server模式下的默認(rèn)回收器。與串行回收器相同，回收期間暫停所有應(yīng)用線程的執(zhí)行。通過(guò)-XX:+UseParallelGC命令行可選項(xiàng)強(qiáng)制指定。

①年輕代的回收算法(Minor Collection)

使用多個(gè)線程回收垃圾，每一個(gè)線程的算法與串行回收器相同。

②年老代的回收算法(Full Collection)

年老代依然是單線程的，與串行回收器相同。

并行合并收集器(Parallel Compacting Collection)

年輕代和年老代的回收都是用多線程處理。通過(guò)命令可選項(xiàng)-XX:+UseParallelOldGC指定，–XX:ParallelGCThreads=3還可進(jìn)一步指定參與并行回收的線程數(shù)。與串行回收器相同，回收期間暫停所有應(yīng)用線程的執(zhí)行。與并行回收器相比，年老代的回收時(shí)間更短，從而減少了暫停時(shí)間間隔(Pause time)。通過(guò)–XX:+UseParallelOldGC命令行可選項(xiàng)強(qiáng)制指定。

①年輕代的回收算法(Minor Collection)

與并行回收器(Parallel Collector)相同

②年老代的回收算法(Full Collection)

年老代分為三個(gè)步驟，標(biāo)記、統(tǒng)計(jì)、合并。這里用到分的思想，把年老代劃分為很多個(gè)固定大小的區(qū)(region)。 標(biāo)記階段，把所有存活的對(duì)象劃分為N組(應(yīng)該與回收線程數(shù)相同)，每一個(gè)線程獨(dú)立的負(fù)責(zé)自己那一組，標(biāo)記存活對(duì)象的位置以及 所在區(qū)(Region)的存活率信息，標(biāo)記為并行的。統(tǒng)計(jì)階段，統(tǒng)計(jì)每一個(gè)區(qū)(Region)的存活率，原則上靠前面的存活率較高，從前到后， 找到值得合并的開(kāi)始位置(絕大多數(shù)對(duì)象都存活的區(qū)不值得合并)，統(tǒng)計(jì)階段是串行的(單線程)。合并階段，依據(jù)統(tǒng)計(jì)階段的信息，多線程 并行的把存活的對(duì)象從一個(gè)區(qū)(Region)復(fù)制到另外一個(gè)區(qū)(Region)。

并發(fā)標(biāo)記清除回收器(Concurrent Mark-Sweep Collector)

又名低延時(shí)收集器(Low-latency Collector)，通過(guò)各種手段使得應(yīng)用程序被掛起的時(shí)間最短?；九c應(yīng)用程序并發(fā)地執(zhí)行回收操作，沒(méi)有合并和復(fù)制操作。通過(guò)命令行-XX:+UseConcMarkSweepGC指定，在單核或者雙核系統(tǒng)里面還可以指定使用增量式回收模式-XX:+UseConcMarkSweepGC。增量式回收是指把回收操作分為多個(gè)片段，執(zhí)行一個(gè)片段之后釋放CPU資源給應(yīng)用程序，未來(lái)的某個(gè)時(shí)點(diǎn)接著上次的結(jié)果繼續(xù)回收下去。目的也是減少延時(shí)。

①年輕代的回收算法(Minor Collection)

與并行回收器(Parallel Collector)相同

②年老代的回收算法(Full Collection)

分為四個(gè)步驟，初始標(biāo)記(Initial Mark)、并發(fā)標(biāo)記(Concurrent Mark)、再次標(biāo)記(Remark)、以及并發(fā)清理(Concurrent Sweep)。特別注意，沒(méi)有合并操作，所以會(huì)有碎片。

• 初始化階段: 暫停應(yīng)用線程，找出所有存活的對(duì)象，耗時(shí)比較短，回收器使用單線程。
• 并發(fā)標(biāo)記階段: 回收器標(biāo)記操作與應(yīng)用并發(fā)運(yùn)行，回收器使用單線程標(biāo)記存活對(duì)象。
• 再次標(biāo)記：并發(fā)標(biāo)記階段由于應(yīng)用程序也在運(yùn)行，這個(gè)過(guò)程中可能新增或者修改對(duì)象。所以再次暫停應(yīng)用線程，找出所有修改的對(duì)象，使用多線程標(biāo)記。
• 并發(fā)清理：回收器清理操作與應(yīng)用并發(fā)運(yùn)行，回收器使用單線程清理死亡對(duì)象。
  

Java垃圾回收器的性能評(píng)估工具

①–XX:+PrintGCDetails和–XX:+PrintGCTimeStamps

垃圾回收的開(kāi)始時(shí)間，持續(xù)時(shí)間，每一代的空余內(nèi)存等信息。

②jmap [options] pid

jamp 2043 查看2043進(jìn)程里面已經(jīng)加載的共享對(duì)象。通常DLL文件。

jmap -heap 2043 查看內(nèi)存堆的配置信息以及使用情況。

jmap -permstat 2043 查看永久代的加載情況。

jmap -histo 2043 查看類(lèi)的加載和內(nèi)存占用情況。

③jstat [options] pid

jstat -class 2043 class加載、卸載、內(nèi)存占用情況。

jstat -gc 2043 GC執(zhí)行情況。

后記

Java提供自動(dòng)選擇和自動(dòng)性能優(yōu)化功能。在做垃圾回收器調(diào)優(yōu)之前，先列出所關(guān)注的性能指標(biāo)，通過(guò)命令行告訴JVM你所關(guān)注的性能指標(biāo)，由JVM自動(dòng)調(diào)優(yōu)，如果不滿(mǎn)意，可以指定垃圾回收器。OutOfMemory通常是由于堆內(nèi)存不足，調(diào)節(jié)-Xmx1024m和-XX:MaxPermSize=128m命令行可選項(xiàng)即可。

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