在java學習到JVM時候，總會很多朋友問到關(guān)于GC算法的問題，小編在此給大家整理關(guān)于JVM中GC算法的原理以及圖文詳細分析，希望能夠幫助你對這個GC算法的理解。

JVM內(nèi)存組成結(jié)構(gòu)：

（1）堆

所有通過new創(chuàng)建的對象都是在堆中分配內(nèi)存，其大小可以通過-Xmx和-Xms來控制，堆被劃分為新生代和舊生代，新生代又被進一步劃分為Eden和Survivor區(qū)。Survivor被劃分為from space 和 to space組成，結(jié)構(gòu)圖如下：

（2）棧

每個線程 執(zhí)行每個方法的時候都會在棧中申請一個棧幀，每個棧幀包含局部變量區(qū)和操作數(shù)棧。用于存放此次方法調(diào)用過程中的臨時變量，參數(shù)和中間結(jié)果

（3）本地方法棧

用于支持native方法的執(zhí)行。存儲了每個native方法調(diào)用的狀態(tài)

（4）方法區(qū)

存放了要加載的類信息，靜態(tài)變量，final類型的常量，屬性和方法信息。JVM用持久代（permanet generation）來存放方法區(qū)，可通過-XX:PermSize和 -XX:MaxPermSize來指定最小值和最大值。

（5）程序計數(shù)器

每個線程私有，當前線程執(zhí)行的字節(jié)碼的行數(shù)。

JAVA堆內(nèi)存分配機制

 java內(nèi)存分配和回收概括地說：就是分代分配，分代回收。對象將根據(jù)存貨的時間被分為：young generation， old generation，permanent generation。

yong generation：對象被創(chuàng)建時，內(nèi)存的分配首先發(fā)生在年輕代（大對象可以直接創(chuàng)建在old generation），大部分的對象在創(chuàng)建后很快不再使用，因此很快變得不可達，被young generation 的GC機制清理掉（IBM的研究表示，98%的對象都是很快消亡的），這個GC機制被稱為Minor GC或者 Young GC；Minor GC并不代表內(nèi)存不足。

young generation分為 3個區(qū)域， eden區(qū)，兩個 survivor區(qū)（from survivor， to survivor），內(nèi)存分配過程如下所示：

1.絕大多數(shù)對象剛創(chuàng)建被分配在 eden區(qū)，其中的大多數(shù)對象很快就會消亡，eden區(qū)域是連續(xù)的內(nèi)存空間，在其上分配內(nèi)存極快。

2.最初一次，當eden區(qū)滿的時候，執(zhí)行 minor GC，將消亡的對象清理掉，并將eden，survivor 1剩余的對象復制到到一個存活區(qū) Survivor 0（此時Survivor 1是空白的，兩個Survivor總有一個是空白的）

3.下次eden滿了，在執(zhí)行一次 minor GC，將消亡的對象清理掉，存活的對象復制到survivor1中，清空eden區(qū)。將survivor 0 中消亡的對象清理掉，將其中可以晉級的對象晉級到old區(qū)，將存活的對象也復制到survivor 1中，清空survivor 0

4.當被兩個存活期 來回復制了幾次之后，（用-XX：maxTenuringThreshold 控制，大于該值進入old generation，但是這只是個最大值，并不代表一定是這個值，因為：為了能更好地適應不同程序的內(nèi)存狀況，虛擬機并不是永遠地要求對象的年齡必須達到了MaxTenuringThreshold才能晉升老年代，如果在Survivor空間中相同年齡所有對象大小的總和大于Survivor空間的一半，年齡大于或等于該年齡的對象就可以直接進入老年代，無須等到MaxTenuringThreshold中要求的年齡。）仍然存活的對象，將被復制到old generation。

old generation：對象如果在young generation 存活了足夠長的時間而沒有被清理掉，則會被復制到old generation，old generation 的空間一般比young generation大得多，發(fā)生的GC次數(shù)也比年輕代少，當年老代內(nèi)存不足時，將執(zhí)行 Major GC，也叫 Full GC；

可以使用-XX:+UseAdaptiveSizePolicy開關(guān)來控制是否采用動態(tài)控制策略，如果動態(tài)控制，則動態(tài)調(diào)整Java堆中各個區(qū)域的大小以及進入老年代的年齡。

如果對象比較大，young generation空間不足，則大對象會直接分配到old generation（大對象可能提前觸發(fā)GC，應盡少使用大對象，更少用短命的大對象）。用-XX:PretenureSizeThreshold來控制直接升入老年代的對象大小，大于這個值的對象會直接分配在老年代上。

可能存在年老代對象引用新生代對象的情況，如果需要執(zhí)行Young GC，則可能需要查詢整個老年代以確定是否可以清理回收，這顯然是低效的。解決的方法是，年老代中維護一個512 byte的塊——”card table“，所有老年代對象引用新生代對象的記錄都記錄在這里。Young GC時，只要查這里即可，不用再去查全部老年代，因此性能大大提高。

JAVA 不同代GC 機制

young generation：發(fā)生的GC是minor GC，使用停止-復制算法進行清理，將新生代內(nèi)存分為：較大的eden，和兩個相等survivor，每次進行清理時，把eden 和一個survivor中存活的對象 復制到另一個survivor中，如果存活的對象超過了survivor內(nèi)存，則需要通過空間分配擔保機制將一部分對象復制到old generation，然后清理掉eden，和剛才的survivor?？梢酝ㄟ^ -XX:SurvivorRation參數(shù)來調(diào)整eden和survivor區(qū)的內(nèi)存容量比值。默認是8，eden：survivor：survivor = 8：1：1。

old generation：發(fā)生major GC。存儲的對象比young generation多得多，且存在很多大對象，對old generation進行內(nèi)存清理，如果使用 停止-復制算法，相當?shù)托?，一般使?標記-整理算法，標記出仍然存活的對象（存在引用），將所有存活的對象向一端移動，以保證內(nèi)存的連續(xù)。

在發(fā)生Minor GC時，虛擬機會檢查每次晉升進入老年代的大小是否大于老年代的剩余空間大小，如果大于，則直接觸發(fā)一次Full GC，否則，就查看是否設置了-XX:+HandlePromotionFailure（允許擔保失敗），如果允許，則只會進行MinorGC，此時可以容忍內(nèi)存分配失??；如果不允許，則仍然進行Full GC（這代表著如果設置-XX:+Handle PromotionFailure，則觸發(fā)MinorGC就會同時觸發(fā)Full GC，哪怕老年代還有很多內(nèi)存，所以，最好不要這樣做）。

old generation GC之 標記-清除法：標記出所有需要回收的對象（可達性分析），標記完成后統(tǒng)一清理掉所有被標記的對象。

該算法有兩個問題：

（1）下頻率問題：標記和清除過程效率都不高

（2）空間問題：標記清除后會產(chǎn)生大量的不連續(xù)的內(nèi)存碎片，空間碎片太多會導致在運行過程需要分配較大對象時無法找到足夠的連續(xù)內(nèi)存而不得不提前觸發(fā)另一次垃圾收集。

    old generation GC之 標記整理算法：標記過程和標記清除算法一樣，但是后續(xù)步驟不再對可回收對象直接清理，而是讓所有存活對象都向一端移動，然后清理掉邊界以外的內(nèi)存。

 permanent generation：永久代的垃圾收集分為兩類：廢棄的常量和不再被使用的類。

廢棄常量：比如說我們在常量池中用intern()添個字符串常量“a”,但是現(xiàn)在的系統(tǒng)沒有任何一個String對象叫“a”,所以這個常量就是廢棄了。

不再被使用的類：

①該類的所有的實例都已經(jīng)被回收，Java堆中不存在該類的任何實例。

②加載類的ClassLoader已經(jīng)被回收

③沒有該類的java.lang.Class對象被引用，即不能通過反射訪問該類信息。

滿足了上述三個條件只是滿足了類回收的基本條件，是否回收不用的類需要看設置的-Xnoclassgc參數(shù)進行控制，還可以使用-verbose:class及-XX:+TraceClassLoading、 -XX:+TraceClassUnLoading查看類的加載和卸載信息。

在大量使用反射、動態(tài)代理、CGLib等bytecode框架的場景，以及動態(tài)生成JSP和OSGi這類頻繁自定義ClassLoader的場景都需要虛擬機具備類卸載的功能，以保證永久代不會溢出。

算法分析：

空間分配擔保：

在執(zhí)行Minor GC前, VM會首先檢查老年代是否有足夠的空間存放新生代尚存活對象, 由于新生代使用復制收集算法, 為了提升內(nèi)存利用率, 只使用了其中一個Survivor作為輪換備份, 因此當出現(xiàn)大量對象在Minor GC后仍然存活的情況時, 就需要老年代進行分配擔保, 讓Survivor無法容納的對象直接進入老年代, 但前提是老年代需要有足夠的空間容納這些存活對象. 但存活對象的大小在實際完成GC前是無法明確知道的, 因此Minor GC前, VM會先首先檢查老年代連續(xù)空間是否大于新生代對象總大小或歷次晉升的平均大小, 如果條件成立, 則進行Minor GC, 否則進行Full GC(讓老年代騰出更多空間).然而取歷次晉升的對象的平均大小也是有一定風險的, 如果某次Minor GC存活后的對象突增,遠遠高于平均值的話,依然可能導致?lián)Ｊ?Handle Promotion Failure, 老年代也無法存放這些對象了), 此時就只好在失敗后重新發(fā)起一次Full GC(讓老年代騰出更多空間).

 GC回收對象確立：

引用計數(shù)：如果有引用這個對象的，對象計數(shù)器+1，引用失效，計數(shù)器-1，絕大多數(shù)情況下，這個算法高效簡單，但是不能解決對象之間的循環(huán)引用的關(guān)系，所以沒有被主流語言采用。

可達性算法：通過一系列的稱為 GC Roots 的對象作為起點, 然后向下搜索; 搜索所走過的路徑稱為引用鏈/Reference Chain, 當一個對象到 GC Roots 沒有任何引用鏈相連時, 即該對象不可達, 也就說明此對象是不可用的, 如下圖: Object5、6、7 雖然互有關(guān)聯(lián), 但它們到GC Roots是不可達的, 因此也會被判定為可回收的對象:

 在Java, 可作為GC Roots的對象包括:

方法區(qū): 類靜態(tài)屬性引用的對象; 方法區(qū): 常量引用的對象; 虛擬機棧(本地變量表)中引用的對象. 本地方法棧JNI(Native方法)中引用的對象。

可達性算法如果對象到GC Roots不可達也不是說這個對象會立即被回收，是需要經(jīng)過一個兩次標記過程的，第一次：是在可達性分析后發(fā)現(xiàn)沒有與GC Roots相連接的引用鏈。第二次是判斷是否需要執(zhí)行finalize()，這個方法也是對象唯一能夠進行自我救贖的機會了，但是不推薦使用，因為這個方法運行代價高，不確定性大，不能保證不同對象的執(zhí)行順序。如果不需要執(zhí)行該方法，直接就進行回收，如果需要執(zhí)行該方法，那么該對象會被放在一個F-Queue里。雖然會被執(zhí)行，但是不一定保證能夠執(zhí)行成功，因為有可能會在這個方法執(zhí)行過程中出現(xiàn)死循環(huán)等意外情況，所以虛擬機并不一定會等待這個方法執(zhí)行結(jié)束才進行回收。如果在第二次標記的時候，該對象沒有成功的自我拯救，那么就真的被回收了。

常用JVM配置參數(shù)

-XX:CMSInitiatingPermOccupancyFraction：當永久區(qū)占用率達到這一百分比時，啟動CMS回收
-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction：設置CMS收集器在老年代空間被使用多少后觸發(fā)
-XX:+CMSClassUnloadingEnabled：允許對類元數(shù)據(jù)進行回收
-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction：設定進行多少次CMS垃圾回收后，進行一次內(nèi)存壓縮
-XX:NewRatio:新生代和老年代的比
-XX:ParallelCMSThreads：設定CMS的線程數(shù)量
-XX:ParallelGCThreads：設置用于垃圾回收的線程數(shù)
-XX:SurvivorRatio：設置eden區(qū)大小和survivior區(qū)大小的比例
-XX:+UseParNewGC：在新生代使用并行收集器
-XX:+UseParallelGC ：新生代使用并行回收收集器
-XX:+UseParallelOldGC：老年代使用并行回收收集器
-XX:+UseSerialGC：在新生代和老年代使用串行收集器
-XX:+UseConcMarkSweepGC：新生代使用并行收集器，老年代使用CMS+串行收集器
-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection：設置CMS收集器在完成垃圾收集后是否要進行一次內(nèi)存碎片的整理
-XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly：表示只在到達閥值的時候，才進行CMS回收

(+不能省)
-Xms:設置堆的最小空間大小。
-Xmx:設置堆的最大空間大小。
-XX:NewSize設置新生代最小空間大小。
-XX:MaxNewSize設置新生代最大空間大小。
-XX:PermSize設置永久代最小空間大小。
-XX:MaxPermSize設置永久代最大空間大小。
-Xss:設置每個線程的堆棧大小

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