在java學(xué)習(xí)到JVM時(shí)候，總會(huì)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(xì)分析，希望能夠幫助你對(duì)這個(gè)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(duì)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(jìn)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(gè)線程 執(zhí)行每個(gè)方法的時(shí)候都會(huì)在棧中申請(qǐng)一個(gè)棧幀，每個(gè)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(shí)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(chǔ)了每個(gè)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(jì)數(shù)器

每個(gè)線程私有，當(dāng)前線程執(zhí)行的字節(jié)碼的行數(shù)。

JAVA堆內(nèi)存分配機(jī)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(duì)象將根據(jù)存貨的時(shí)間被分為：young generation， old generation，permanent generation。

yong generation：對(duì)象被創(chuàng)建時(shí)，內(nèi)存的分配首先發(fā)生在年輕代（大對(duì)象可以直接創(chuàng)建在old generation），大部分的對(duì)象在創(chuàng)建后很快不再使用，因此很快變得不可達(dá)，被young generation 的GC機(jī)制清理掉（IBM的研究表示，98%的對(duì)象都是很快消亡的），這個(gè)GC機(jī)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(gè)區(qū)域， eden區(qū)，兩個(gè) 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(duì)象剛創(chuàng)建被分配在 eden區(qū)，其中的大多數(shù)對(duì)象很快就會(huì)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(dāng)eden區(qū)滿的時(shí)候，執(zhí)行 minor GC，將消亡的對(duì)象清理掉，并將eden，survivor 1剩余的對(duì)象復(fù)制到到一個(gè)存活區(qū) Survivor 0（此時(shí)Survivor 1是空白的，兩個(gè)Survivor總有一個(gè)是空白的）

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

4.當(dāng)被兩個(gè)存活期 來回復(fù)制了幾次之后，（用-XX：maxTenuringThreshold 控制，大于該值進(jìn)入old generation，但是這只是個(gè)最大值，并不代表一定是這個(gè)值，因?yàn)椋簽榱四芨玫剡m應(yīng)不同程序的內(nèi)存狀況，虛擬機(jī)并不是永遠(yuǎn)地要求對(duì)象的年齡必須達(dá)到了MaxTenuringThreshold才能晉升老年代，如果在Survivor空間中相同年齡所有對(duì)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(duì)象就可以直接進(jìn)入老年代，無須等到MaxTenuringThreshold中要求的年齡。）仍然存活的對(duì)象，將被復(fù)制到old generation。

old generation：對(duì)象如果在young generation 存活了足夠長(zhǎng)的時(shí)間而沒有被清理掉，則會(huì)被復(fù)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(dāng)年老代內(nèi)存不足時(shí)，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(dòng)態(tài)控制策略，如果動(dòng)態(tài)控制，則動(dòng)態(tài)調(diào)整Java堆中各個(gè)區(qū)域的大小以及進(jìn)入老年代的年齡。

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

可能存在年老代對(duì)象引用新生代對(duì)象的情況，如果需要執(zhí)行Young GC，則可能需要查詢整個(gè)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(hù)一個(gè)512 byte的塊——”card table“，所有老年代對(duì)象引用新生代對(duì)象的記錄都記錄在這里。Young GC時(shí)，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(jī)制

young generation：發(fā)生的GC是minor GC，使用停止-復(fù)制算法進(jìn)行清理，將新生代內(nèi)存分為：較大的eden，和兩個(gè)相等survivor，每次進(jìn)行清理時(shí)，把eden 和一個(gè)survivor中存活的對(duì)象 復(fù)制到另一個(gè)survivor中，如果存活的對(duì)象超過了survivor內(nèi)存，則需要通過空間分配擔(dān)保機(jī)制將一部分對(duì)象復(fù)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(rèn)是8，eden：survivor：survivor = 8：1：1。

old generation：發(fā)生major GC。存儲(chǔ)的對(duì)象比young generation多得多，且存在很多大對(duì)象，對(duì)old generation進(jìn)行內(nèi)存清理，如果使用 停止-復(fù)制算法，相當(dāng)?shù)托?，一般使?標(biāo)記-整理算法，標(biāo)記出仍然存活的對(duì)象（存在引用），將所有存活的對(duì)象向一端移動(dòng)，以保證內(nèi)存的連續(xù)。

在發(fā)生Minor GC時(shí)，虛擬機(jī)會(huì)檢查每次晉升進(jìn)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(shè)置了-XX:+HandlePromotionFailure（允許擔(dān)保失?。绻试S，則只會(huì)進(jìn)行MinorGC，此時(shí)可以容忍內(nèi)存分配失?。蝗绻辉试S，則仍然進(jìn)行Full GC（這代表著如果設(shè)置-XX:+Handle PromotionFailure，則觸發(fā)MinorGC就會(huì)同時(shí)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(biāo)記-清除法：標(biāo)記出所有需要回收的對(duì)象（可達(dá)性分析），標(biāo)記完成后統(tǒng)一清理掉所有被標(biāo)記的對(duì)象。

該算法有兩個(gè)問題：

（1）下頻率問題：標(biāo)記和清除過程效率都不高

（2）空間問題：標(biāo)記清除后會(huì)產(chǎn)生大量的不連續(xù)的內(nèi)存碎片，空間碎片太多會(huì)導(dǎo)致在運(yùn)行過程需要分配較大對(duì)象時(shí)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(biāo)記整理算法：標(biāo)記過程和標(biāo)記清除算法一樣，但是后續(xù)步驟不再對(duì)可回收對(duì)象直接清理，而是讓所有存活對(duì)象都向一端移動(dòng)，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?cè)诔Ａ砍刂杏胕ntern()添個(gè)字符串常量“a”,但是現(xiàn)在的系統(tǒng)沒有任何一個(gè)String對(duì)象叫“a”,所以這個(gè)常量就是廢棄了。

不再被使用的類：

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

②加載類的ClassLoader已經(jīng)被回收

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

滿足了上述三個(gè)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(shè)置的-Xnoclassgc參數(shù)進(jìn)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(dòng)態(tài)代理、CGLib等bytecode框架的場(chǎng)景，以及動(dòng)態(tài)生成JSP和OSGi這類頻繁自定義ClassLoader的場(chǎng)景都需要虛擬機(jī)具備類卸載的功能，以保證永久代不會(huì)溢出。

算法分析：

空間分配擔(dān)保：

在執(zhí)行Minor GC前, VM會(huì)首先檢查老年代是否有足夠的空間存放新生代尚存活對(duì)象, 由于新生代使用復(fù)制收集算法, 為了提升內(nèi)存利用率, 只使用了其中一個(gè)Survivor作為輪換備份, 因此當(dāng)出現(xiàn)大量對(duì)象在Minor GC后仍然存活的情況時(shí), 就需要老年代進(jìn)行分配擔(dān)保, 讓Survivor無法容納的對(duì)象直接進(jìn)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(duì)象. 但存活對(duì)象的大小在實(shí)際完成GC前是無法明確知道的, 因此Minor GC前, VM會(huì)先首先檢查老年代連續(xù)空間是否大于新生代對(duì)象總大小或歷次晉升的平均大小, 如果條件成立, 則進(jìn)行Minor GC, 否則進(jìn)行Full GC(讓老年代騰出更多空間).然而取歷次晉升的對(duì)象的平均大小也是有一定風(fēng)險(xiǎn)的, 如果某次Minor GC存活后的對(duì)象突增,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于平均值的話,依然可能導(dǎo)致?lián)Ｊ?Handle Promotion Failure, 老年代也無法存放這些對(duì)象了), 此時(shí)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(duì)象確立：

引用計(jì)數(shù)：如果有引用這個(gè)對(duì)象的，對(duì)象計(jì)數(shù)器+1，引用失效，計(jì)數(shù)器-1，絕大多數(shù)情況下，這個(gè)算法高效簡(jiǎn)單，但是不能解決對(duì)象之間的循環(huán)引用的關(guān)系，所以沒有被主流語(yǔ)言采用。

可達(dá)性算法：通過一系列的稱為 GC Roots 的對(duì)象作為起點(diǎn), 然后向下搜索; 搜索所走過的路徑稱為引用鏈/Reference Chain, 當(dāng)一個(gè)對(duì)象到 GC Roots 沒有任何引用鏈相連時(shí), 即該對(duì)象不可達(dá), 也就說明此對(duì)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(dá)的, 因此也會(huì)被判定為可回收的對(duì)象:

 在Java, 可作為GC Roots的對(duì)象包括:

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

可達(dá)性算法如果對(duì)象到GC Roots不可達(dá)也不是說這個(gè)對(duì)象會(huì)立即被回收，是需要經(jīng)過一個(gè)兩次標(biāo)記過程的，第一次：是在可達(dá)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(gè)方法也是對(duì)象唯一能夠進(jìn)行自我救贖的機(jī)會(huì)了，但是不推薦使用，因?yàn)檫@個(gè)方法運(yùn)行代價(jià)高，不確定性大，不能保證不同對(duì)象的執(zhí)行順序。如果不需要執(zhí)行該方法，直接就進(jìn)行回收，如果需要執(zhí)行該方法，那么該對(duì)象會(huì)被放在一個(gè)F-Queue里。雖然會(huì)被執(zhí)行，但是不一定保證能夠執(zhí)行成功，因?yàn)橛锌赡軙?huì)在這個(gè)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(jī)并不一定會(huì)等待這個(gè)方法執(zhí)行結(jié)束才進(jìn)行回收。如果在第二次標(biāo)記的時(shí)候，該對(duì)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(dāng)永久區(qū)占用率達(dá)到這一百分比時(shí)，啟動(dòng)CMS回收
-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction：設(shè)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(duì)類元數(shù)據(jù)進(jìn)行回收
-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction：設(shè)定進(jìn)行多少次CMS垃圾回收后，進(jìn)行一次內(nèi)存壓縮
-XX:NewRatio:新生代和老年代的比
-XX:ParallelCMSThreads：設(shè)定CMS的線程數(shù)量
-XX:ParallelGCThreads：設(shè)置用于垃圾回收的線程數(shù)
-XX:SurvivorRatio：設(shè)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(shè)置CMS收集器在完成垃圾收集后是否要進(jìn)行一次內(nèi)存碎片的整理
-XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly：表示只在到達(dá)閥值的時(shí)候，才進(jìn)行CMS回收

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

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