java基础之GC

Java内存分配机制

这里所说的内存分配，主要指的是在堆上的分配，一般的，对象的内存分配都是在堆上进行，但现代技术也支持将对象拆成标量类型（标量类型即原子类型，表示单个值，可以是基本类型或String等），然后在栈上分配，在栈上分配的很少见，我们这里不考虑。

　　Java内存分配和回收的机制概括的说，就是：分代分配，分代回收。对象将根据存活的时间被分为：年轻代（Young Generation）、年老代（Old Generation）、永久代（Permanent Generation，也就是方法区）。如下图（来源于《成为JavaGC专家part I》，http://www./1993.html）：

　　　　

　　年轻代（Young Generation）：对象被创建时，内存的分配首先发生在年轻代（大对象可以直接被创建在年老代），大部分的对象在创建后很快就不再使用，因此很快变得不可达，于是被年轻代的GC机制清理掉（IBM的研究表明，98%的对象都是很快消亡的），这个GC机制被称为Minor GC或叫Young GC。注意，Minor GC并不代表年轻代内存不足，它事实上只表示在Eden区上的GC。

　　年轻代上的内存分配是这样的，年轻代可以分为3个区域：Eden区（伊甸园，亚当和夏娃偷吃禁果生娃娃的地方，用来表示内存首次分配的区域，再贴切不过）和两个存活区（Survivor 0 、Survivor 1）。内存分配过程为（来源于《成为JavaGC专家part I》，http://www./1993.html）：

　　　　

1. 绝大多数刚创建的对象会被分配在Eden区，其中的大多数对象很快就会消亡。Eden区是连续的内存空间，因此在其上分配内存极快；
2. 最初一次，当Eden区满的时候，执行Minor GC，将消亡的对象清理掉，并将剩余的对象复制到一个存活区Survivor0（此时，Survivor1是空白的，两个Survivor总有一个是空白的）；
3.  下次Eden区满了，再执行一次Minor GC，将消亡的对象清理掉，将存活的对象复制到Survivor1中，然后清空Eden区；
4.  将Survivor0中消亡的对象清理掉，将其中可以晋级的对象晋级到Old区，将存活的对象也复制到Survivor1区，然后清空Survivor0区；
5. 当两个存活区切换了几次（HotSpot虚拟机默认15次，用-XX:MaxTenuringThreshold控制，大于该值进入老年代，但这只是个最大值，并不代表一定是这个值）之后，仍然存活的对象（其实只有一小部分，比如，我们自己定义的对象），将被复制到老年代。

　　从上面的过程可以看出，Eden区是连续的空间，且Survivor总有一个为空。经过一次GC和复制，一个Survivor中保存着当前还活着的对象，而Eden区和另一个Survivor区的内容都不再需要了，可以直接清空，到下一次GC时，两个Survivor的角色再互换。因此，这种方式分配内存和清理内存的效率都极高，这种垃圾回收的方式就是著名的“停止-复制（Stop-and-copy）”清理法（将Eden区和一个Survivor中仍然存活的对象拷贝到另一个Survivor中），这不代表着停止复制清理法很高效，其实，它也只在这种情况下高效，如果在老年代采用停止复制，则挺悲剧的。

　　在Eden区，HotSpot虚拟机使用了两种技术来加快内存分配。分别是bump-the-pointer和TLAB（Thread-Local Allocation Buffers），这两种技术的做法分别是：由于Eden区是连续的，因此bump-the-pointer技术的核心就是跟踪最后创建的一个对象，在对象创建时，只需要检查最后一个对象后面是否有足够的内存即可，从而大大加快内存分配速度；而对于TLAB技术是对于多线程而言的，将Eden区分为若干段，每个线程使用独立的一段，避免相互影响。TLAB结合bump-the-pointer技术，将保证每个线程都使用Eden区的一段，并快速的分配内存。

　　年老代（Old Generation）：对象如果在年轻代存活了足够长的时间而没有被清理掉（即在几次Young GC后存活了下来），则会被复制到年老代，年老代的空间一般比年轻代大，能存放更多的对象，在年老代上发生的GC次数也比年轻代少。当年老代内存不足时，将执行Major GC，也叫 Full GC。　　

 　　可以使用-XX:+UseAdaptiveSizePolicy开关来控制是否采用动态控制策略，如果动态控制，则动态调整Java堆中各个区域的大小以及进入老年代的年龄。

　　如果对象比较大（比如长字符串或大数组），Young空间不足，则大对象会直接分配到老年代上（大对象可能触发提前GC，应少用，更应避免使用短命的大对象）。用-XX:PretenureSizeThreshold来控制直接升入老年代的对象大小，大于这个值的对象会直接分配在老年代上。

　　可能存在年老代对象引用新生代对象的情况，如果需要执行Young GC，则可能需要查询整个老年代以确定是否可以清理回收，这显然是低效的。解决的方法是，年老代中维护一个512 byte的块——”card table“，所有老年代对象引用新生代对象的记录都记录在这里。Young GC时，只要查这里即可，不用再去查全部老年代，因此性能大大提高。

Java GC机制

GC机制的基本算法是：分代收集，这个不用赘述。下面阐述每个分代的收集方法。

　　

　　年轻代：

　　事实上，在上一节，已经介绍了新生代的主要垃圾回收方法，在新生代中，使用“停止-复制”算法进行清理，将新生代内存分为2部分，1部分 Eden区较大，1部分Survivor比较小，并被划分为两个等量的部分。每次进行清理时，将Eden区和一个Survivor中仍然存活的对象拷贝到 另一个Survivor中，然后清理掉Eden和刚才的Survivor。

　　这里也可以发现，停止复制算法中，用来复制的两部分并不总是相等的（传统的停止复制算法两部分内存相等，但新生代中使用1个大的Eden区和2个小的Survivor区来避免这个问题）

　　由于绝大部分的对象都是短命的，甚至存活不到Survivor中，所以，Eden区与Survivor的比例较大，HotSpot默认是 8:1，即分别占新生代的80%，10%，10%。如果一次回收中，Survivor+Eden中存活下来的内存超过了10%，则需要将一部分对象分配到 老年代。用-XX:SurvivorRatio参数来配置Eden区域Survivor区的容量比值，默认是8，代表Eden：Survivor1：Survivor2=8:1:1.

　　老年代：

　　老年代存储的对象比年轻代多得多，而且不乏大对象，对老年代进行内存清理时，如果使用停止-复制算法，则相当低效。一般，老年代用的算法是标记-整理算法，即：标记出仍然存活的对象（存在引用的），将所有存活的对象向一端移动，以保证内存的连续。

     在发生Minor GC时，虚拟机会检查每次晋升进入老年代的大小是否大于老年代的剩余空间大小，如果大于，则直接触发一次Full GC，否则，就查看是否设置了-XX:+HandlePromotionFailure（允许担保失败），如果允许，则只会进行MinorGC，此时可以容忍内存分配失败；如果不允许，则仍然进行Full GC（这代表着如果设置-XX:+Handle PromotionFailure，则触发MinorGC就会同时触发Full GC，哪怕老年代还有很多内存，所以，最好不要这样做）。

　　方法区（永久代）：

　　永久代的回收有两种：常量池中的常量，无用的类信息，常量的回收很简单，没有引用了就可以被回收。对于无用的类进行回收，必须保证3点：

1. 类的所有实例都已经被回收
2. 加载类的ClassLoader已经被回收
3. 类对象的Class对象没有被引用（即没有通过反射引用该类的地方）

     永久代的回收并不是必须的，可以通过参数来设置是否对类进行回收。HotSpot提供-Xnoclassgc进行控制

     使用-verbose，-XX:+TraceClassLoading、-XX:+TraceClassUnLoading可以查看类加载和卸载信息

     -verbose、-XX:+TraceClassLoading可以在Product版HotSpot中使用；

     -XX:+TraceClassUnLoading需要fastdebug版HotSpot支持

垃圾收集器

在GC机制中，起重要作用的是垃圾收集器，垃圾收集器是GC的具体实现，Java虚拟机规范中对于垃圾收集器没有任何规定，所以不同厂商实现的垃圾 收集器各不相同，HotSpot 1.6版使用的垃圾收集器如下图（图来源于《深入理解Java虚拟机：JVM高级特效与最佳实现》，图中两个收集器之间有连线，说明它们可以配合使用）：

　　

　　

在介绍垃圾收集器之前，需要明确一点，就是在新生代采用的停止复制算法中，“停 止（Stop-the-world）”的意义是在回收内存时，需要暂停其他所 有线程的执行。这个是很低效的，现在的各种新生代收集器越来越优化这一点，但仍然只是将停止的时间变短，并未彻底取消停止。

• Serial收集器：新生代收集器，使用停止复制算法，使用一个线程进行GC，串行，其它工作线程暂停。使用-XX:+UseSerialGC可以使用Serial+Serial Old模式运行进行内存回收（这也是虚拟机在Client模式下运行的默认值）
• ParNew收集器：新生代收集器，使用停止复制算法，Serial收集器的多线程版，用多个线程进行GC，并行，其它工作线程暂停，关注缩短垃圾收集时间。使用-XX:+UseParNewGC开关来控制使用ParNew+Serial Old收集器组合收集内存；使用-XX:ParallelGCThreads来设置执行内存回收的线程数。
• Parallel Scavenge 收集器：新生代收集器，使用停止复制算法，关注CPU吞吐量，即运行用户代码的时间/总时间，比如：JVM运行100分钟，其中运行用户代码99分钟，垃 圾收集1分钟，则吞吐量是99%，这种收集器能最高效率的利用CPU，适合运行后台运算（关注缩短垃圾收集时间的收集器，如CMS，等待时间很少，所以适 合用户交互，提高用户体验）。使用-XX:+UseParallelGC开关控制使用Parallel Scavenge+Serial Old收集器组合回收垃圾（这也是在Server模式下的默认值）；使用-XX:GCTimeRatio来设置用户执行时间占总时间的比例，默认99，即1%的时间用来进行垃圾回收。使用-XX:MaxGCPauseMillis设置GC的最大停顿时间（这个参数只对Parallel Scavenge有效），用开关参数-XX:+UseAdaptiveSizePolicy可以进行动态控制，如自动调整Eden/Survivor比例，老年代对象年龄，新生代大小等，这个参数在ParNew下没有。

• Serial Old收集器：老年代收集器，单线程收集器，串行，使用标记整理（整理的方法是Sweep（清理）和Compact（压缩），清理是将废弃的对象干掉，只留幸存的对象，压缩是将移动对象，将空间填满保证内存分为2块，一块全是对象，一块空闲）算法，使用单线程进行GC，其它工作线程暂停（注意，在老年代中进行标记整理算法清理，也需要暂停其它线程），在JDK1.5之前，Serial Old收集器与ParallelScavenge搭配使用。
• Parallel Old收集器：老年代收集器，多线程，并行，多线程机制与Parallel Scavenge差不错，使用标记整理（与Serial Old不同，这里的整理是Summary（汇总）和Compact（压缩），汇总的意思就是将幸存的对象复制到预先准备好的区域，而不是像Sweep（清理）那样清理废弃的对象）算法，在Parallel Old执行时，仍然需要暂停其它线程。Parallel Old在多核计算中很有用。Parallel Old出现后（JDK 1.6），与Parallel Scavenge配合有很好的效果，充分体现Parallel Scavenge收集器吞吐量优先的效果。使用-XX:+UseParallelOldGC开关控制使用Parallel Scavenge +Parallel Old组合收集器进行收集。
• CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器：老年代收集器，致力于获取最短回收停顿时间（即缩短垃圾回收的时间），使用标记清除算法，多线程，优点是并发收集（用户线程可以和GC线程同时工作），停顿小。使用-XX:+UseConcMarkSweepGC进行ParNew+CMS+Serial Old进行内存回收，优先使用ParNew+CMS（原因见后面），当用户线程内存不足时，采用备用方案Serial Old收集。

CMS收集的执行过程是：初始标记(CMS-initial-mark) -> 并发标记(CMS-concurrent-mark) -->预清理(CMS-concurrent-preclean)-->可控预清理(CMS-concurrent-abortable-preclean)-> 重新标记(CMS-remark) -> 并发清除(CMS-concurrent-sweep) ->并发重设状态等待下次CMS的触发(CMS-concurrent-reset)

具体的说，先2次标记，1次预清理，1次重新标记，再1次清除。 

1，首先jvm根据-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction，-XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly来决定什么时间开始垃圾收集；

2，如果设置了-XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly，那么只有当old代占用确实达到了-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction参数所设定的比例时才会触发cms gc；

3，如果没有设置-XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly，那么系统会根据统计数据自行决定什么时候触发cms gc；因此有时会遇到设置了80%比例才cms gc，但是50%时就已经触发了，就是因为这个参数没有设置的原因；

4，当cms gc开始时，首先的阶段是初始标记(CMS-initial-mark)，是stop the world阶段，因此此阶段标记的对象只是从root集最直接可达的对象；

     CMS-initial-mark：961330K（1572864K），指标记时，old代的已用空间和总空间

5，下一个阶段是并发标记(CMS-concurrent-mark)，此阶段是和应用线程并发执行的，所谓并发收集器指的就是这个，主要作用是标记可达的对象，此阶段不需要用户停顿。

       此阶段会打印2条日志：CMS-concurrent-mark-start，CMS-concurrent-mark

6，下一个阶段是CMS-concurrent-preclean，此阶段主要是进行一些预清理，因为标记和应用线程是并发执行的，因此会有些对象的状态在标记后会改变，此阶段正是解决这个问题因为之后的Rescan阶段也会stop the world，为了使暂停的时间尽可能的小，也需要preclean阶段先做一部分工作以节省时间

     此阶段会打印2条日志：CMS-concurrent-preclean-start，CMS-concurrent-preclean

7，下一阶段是CMS-concurrent-abortable-preclean阶段，加入此阶段的目的是使cms gc更加可控一些，作用也是执行一些预清理，以减少Rescan阶段造成应用暂停的时间

     此阶段涉及几个参数：

     -XX:CMSMaxAbortablePrecleanTime：当abortable-preclean阶段执行达到这个时间时才会结束

     -XX:CMSScheduleRemarkEdenSizeThreshold（默认2m）：控制abortable-preclean阶段什么时候开始执行，

      即当eden使用达到此值时，才会开始abortable-preclean阶段

     -XX:CMSScheduleRemarkEdenPenetratio（默认50%）：控制abortable-preclean阶段什么时候结束执行

      此阶段会打印一些日志如下：

     CMS-concurrent-abortable-preclean-start，CMS-concurrent-abortable-preclean，

      CMS：abort preclean due to time XXX

8，再下一个阶段是第二个stop the world阶段了，即Rescan阶段，此阶段暂停应用线程，停顿时间比并发标记小得多，但比初始标记稍长。对对象进行重新扫描并标记；

       YG occupancy：964861K（2403008K），指执行时young代的情况

       CMS remark：961330K（1572864K），指执行时old代的情况

      此外，还打印出了弱引用处理、类卸载等过程的耗时

9，再下一个阶段是CMS-concurrent-sweep，进行并发的垃圾清理

10，最后是CMS-concurrent-reset，为下一次cms gc重置相关数据结构

 

有2种情况会触发CMS 的悲观full gc，在悲观full gc时，整个应用会暂停

       A，concurrent-mode-failure：预清理阶段可能出现，当cms gc正进行时，此时有新的对象要进行old代，但是old代空间不足造成的。其可能性有：1，O区空间不足以让新生代晋级，2，O区空间用完之前，无法完成对无引用的对象的清理。这表明，当前有大量数据进入内存且无法释放。

       B，promotion-failed：新生代young gc可能出现，当进行young gc时，有部分young代对象仍然可用，但是S1或S2放不下，因此需要放到old代，但此时old代空间无法容纳此。

 

影响cms gc时长及触发的参数是以下2个：

        -XX:CMSMaxAbortablePrecleanTime=5000

        -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=80

解决也是针对这两个参数来的，根本的原因是每次请求消耗的内存量过大

解决方式：

      A，针对cms gc的触发阶段，调整-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=50，提早触发cms gc，就可以缓解当old代达到80%，cms gc处理不完，从而造成concurrent mode failure引发full gc

     B，修改-XX:CMSMaxAbortablePrecleanTime=500，缩小CMS-concurrent-abortable-preclean阶段的时间

     C，考虑到cms gc时不会进行compact，因此加入-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection

       （cms gc后会进行内存的compact）和-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=4（在full gc4次后会进行compact）参数

 

在CMS清理过程中，只有初始标记和重新标记需要短暂停顿，并发标记和并发清除都不需要暂停用户线程，因此效率很高，很适合高交互的场合。

CMS也有缺点，它需要消耗额外的CPU和内存资源，在CPU和内存资源紧张，CPU较少时，会加重系统负担（CMS默认启动线程数为(CPU数量+3)/4）。

另外，在并发收集过程中，用户线程仍然在运行，仍然产生内存垃圾，所以可能产生“浮动垃圾”，本次无法清理，只能下一次Full GC才清理，因此在GC期间，需要预留足够的内存给用户线程使用。所以使用CMS的收集器并不是老年代满了才触发Full GC，而是在使用了一大半（默认68%，即2/3，使用-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction来设置）的时候就要进行Full GC，如果用户线程消耗内存不是特别大，可以适当调高-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction以降低GC次数，提高性能，如果预留的用户线程内存不够，则会触发Concurrent Mode Failure，此时，将触发备用方案：使用Serial Old 收集器进行收集，但这样停顿时间就长了，因此-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction不宜设的过大。

还有，CMS采用的是标记清除算法，会导致内存碎片的产生，可以使用-XX：+UseCMSCompactAtFullCollection来设置是否在Full GC之后进行碎片整理，用-XX：CMSFullGCsBeforeCompaction来设置在执行多少次不压缩的Full GC之后，来一次带压缩的Full GC。

• G1收集器：在JDK1.7中正式发布，与现状的新生代、老年代概念有很大不同，目前使用较少，不做介绍。

 

     注意并发（Concurrent）和并行（Parallel）的区别：

     并发是指用户线程与GC线程同时执行（不一定是并行，可能交替，但总体上是在同时执行的），不需要停顿用户线程（其实在CMS中用户线程还是需要停顿的，只是非常短，GC线程在另一个CPU上执行）；

     并行收集是指多个GC线程并行工作，但此时用户线程是暂停的；

所以，Serial是串行的，Parallel收集器是并行的，而CMS收集器是并发的.