JVM基础篇：垃圾回收

1.前言

1.1C/C++的内存管理

在C/C++这类没有自动垃圾回收机制的语言中，一个对象如果不再使用，需要手动释放，否则就会出现内存泄漏。我们称这种释放对象的过程为垃圾回收，而需要程序员编写代码进行回收的方式为手动回收。
内存泄漏指的是不再使用的对象在系统中未被回收，内存泄漏的积累可能会导致内存溢出。

1.2Java的内存管理

Java中为了简化对象的释放，引入了自动的垃圾回收（Garbage Collection简称GC）机制。通过垃圾回收器来对不再使用的对象完成自动的回收，垃圾回收器主要负责对堆上的内存进行回收。其他很多现代语言比如C#、Python、Go都拥有自己的垃圾回收器。

2.方法区的回收

方法区中能回收的内容主要就是不再使用的类。

判定一个类可以被卸载。需要同时满足下面三个条件：

此类所有实例对象都已经被回收，在堆中不存在任何该类的实例对象以及子类对象。
加载该类的类加载器已经被回收。
该类对应的 java.lang.Class 对象没有在任何地方被引用。

由于我们自己编写的类是由应用程序类加载器加载的，而这个加载器在运行过程中是不会被回收的，所以我们自己编写的类只要被加载就不会被回收

3.堆回收

3.1引用计数法和可达性分析法

引用计数法

引用计数法会为每个对象维护一个引用计数器，当对象被引用时加1，取消引用时减1。引用计数法的优点是实现简单，但是它也存在缺点，主要有两点：

每次引用和取消引用都需要维护计数器，对系统性能会有一定的影响
存在循环引用问题，所谓循环引用就是当A引用B，B同时引用A时会出现对象无法回收的问题。

补充：查看垃圾回收日志

如果想要查看垃圾回收的信息，可以使用-verbose:gc参数。
语法： -verbose:gc

可达性分析算法

Java使用的是可达性分析算法来判断对象是否可以被回收。可达性分析将对象分为两类：垃圾回收的根对象（GC Root）和普通对象，对象与对象之间存在引用关系。

下图中A到B再到C和D，形成了一个引用链，可达性分析算法指的是如果从某个到GC Root对象是可达的，对象就不可被回收，而GC Root对象正常情况下是不会被回收的。

哪些对象被称之为GC Root对象呢？

线程Thread对象，它会关联线程栈帧中的方法参数、局部变量等。
系统类加载器加载的java.lang.Class对象，它会关联类中的静态变量。
监视器对象，用来保存同步锁synchronized关键字持有的对象。
本地方法调用时使用的全局对象（一般不用关注）。

3.2五种对象引用

强引用

可达性算法中描述的对象引用，一般指的是强引用，即是GCRoot对象对普通对象有引用关系，只要这层关系存在，普通对象就不会被回收。

软引用

软引用相对于强引用是一种比较弱的引用关系，如果一个对象只有软引用关联到它，当程序内存不足时，就会将软引用中的数据进行回收。
在JDK 1.2版之后提供了SoftReference类来实现软引用，软引用常用于缓存中。

内存不足时，虚拟机尝试进行垃圾回收。
如果垃圾回收仍不能解决内存不足的问题，回收软引用中的对象。
如果依然内存不足，虚拟机会抛出OutOfMemory异常。

创建软引用对象

将对象使用软引用包装起来
继承SoftReference类的方式来实现软引用

软引用中的对象如果在内存不足时回收，SoftReference对象本身也需要被回收。如何知道哪些SoftReference对象需要回收呢？

SoftReference提供了一套队列机制：

软引用创建时，通过构造器传入引用队列
在软引用中包含的对象被回收时，该软引用对象会被放入引用队列
通过代码遍历引用队列，将SoftReference的强引用删除

引用队列里存放的是所有已经被回收数据的软引用对象

弱引用

弱引用的整体机制和软引用基本一致，区别在于弱引用包含的对象在垃圾回收时，不管内存够不够都会直接被回收。
在JDK 1.2版之后提供了WeakReference类来实现弱引用，弱引用主要在ThreadLocal中使用。
弱引用对象本身也可以使用引用队列进行回收。

虚引用

虚引用也叫幽灵引用/幻影引用，不能通过虚引用对象获取到包含的对象。虚引用唯一的用途是当对象被垃圾回收器回收时可以接收到对应的通知。Java中使用PhantomReference实现了虚引用，直接内存中为了及时知道直接内存对象不再使用，从而回收内存，使用了虚引用来实现。

终结器引用

最后这两种引用在常规开发中是不会使用的。
终结器引用指的是在对象需要被回收时，终结器引用会关联对象并放置在Finalizer类中的引用队列中，在稍后由一条由FinalizerThread线程从队列中获取对象，然后执行对象的finalize方法，在对象第二次被回收时，该对象才真正的被回收。在这个过程中可以在finalize方法中再将自身对象使用强引用关联上，但是不建议这样做。

3.3垃圾回收算法评价标准

Java垃圾回收过程会通过单独的GC线程来完成，但是不管使用哪一种GC算法，都会有部分阶段需要停止所有的用户线程。这个过程被称之为Stop The World简称STW，如果STW时间过长则会影响用户的使用。

①吞吐量

吞吐量指的是 CPU 用于执行用户代码的时间与 CPU 总执行时间的比值，即吞吐量 = 执行用户代码时间 / （执行用户代码时间 + GC时间）。吞吐量数值越高，垃圾回收的效率就越高，程序执行的效率也越高。

②最大暂停时间

最大暂停时间指的是所有在垃圾回收过程中的STW时间最大值。最大暂停时间越短，用户使用系统时受到的影响就越短。

③堆使用效率

不同垃圾回收算法，对堆内存的使用方式是不同的。比如标记清除算法，可以使用完整的堆内存。而复制算法会将堆内存一分为二，每次只能使用一半内存。

上述三种评价标准：堆使用效率、吞吐量，以及最大暂停时间不可兼得。
一般来说，堆内存越大，需要回收的对象可能就越多，最大暂停时间就越长。
如果想要减少最大暂停时间，可能会将很长的一次的回收拆分成多次，这样会做很多重复的准备工作，就会降低吞吐量。

垃圾回收算法没有最好与最坏，不同的垃圾回收算法，适用于不同的场景。

3.4垃圾回收算法

①标记清除算法

标记清除算法的核心思想分为两个阶段：

标记阶段，将所有存活的对象进行标记。Java中使用可达性分析算法，从GC Root开始通过引用链遍历出所有存活对象。
清除阶段，从内存中删除没有被标记也就是非存活对象。

标记清除算法的优缺点

优点：实现简单，只需要在第一阶段给每个对象维护标志位，第二阶段删除对象即可。
缺点：
- ①碎片化问题：由于内存是连续的，所以在对象被删除之后，内存中会出现很多细小的可用内存单元。如果我们需要的是一个比较大的空间，很有可能这些内存单元的大小过小无法进行分配。
- ②分配速度慢。由于内存碎片的存在，需要维护一个空闲链表，极有可能发生每次需要遍历到链表的最后才能获得合适的内存空间。

②复制算法

复制算法的核心思想是：

准备两块空间From空间和To空间，每次在对象分配阶段，只能使用其中一块空间（From空间）
在垃圾回收GC阶段，将From中存活对象复制到To空间
将两块空间的From和To名字互换

演示过程

将堆内存分割成两块From空间 To空间，对象分配阶段，创建对象。
GC阶段开始，将GC Root搬运到To空间
将GC Root关联的对象，搬运到To空间
清理From空间，并把名称互换

复制算法的优缺点

优点：
- ①吞吐量高：复制算法只需要遍历一次存活对象复制到To空间即可，比标记-整理算法少了一次遍历的过程，因而性能较好，但是不如标记-清除算法，因为标记清除算法不需要进行对象的移动
- ②不会产生碎片化空间：复制算法在复制之后就会将对象按顺序放入To空间中，所以对象以外的区域都是可用空间，不存在碎片化内存空间。
缺点：
- 内存使用效率低：每次只能让一半的内存空间来为创建对象使用

③标记整理算法

标记整理算法也叫标记压缩算法，是对标记清理算法中容易产生内存碎片问题的一种解决方案。

核心思想分为两个阶段：

标记阶段，将所有存活的对象进行标记。Java中使用可达性分析算法，从GC Root开始通过引用链遍历出所有存活对象。
整理阶段，将存活对象移动到堆的一端。清理掉存活对象的内存空间。

标记整理算法的优缺点

优点：
- ①内存使用效率高：整个堆内存都可以使用，不会像复制算法只能使用半个堆内存
- ②不会发生碎片化：在整理阶段可以将对象往内存的一侧进行移动，剩下的空间都是可以分配对象的有效空间
缺点：
- 整理阶段的效率不高：整理算法有很多种，比如Lisp2整理算法需要对整个堆中的对象搜索3次，整体性能不佳。可以通过TwoFinger、表格算法、ImmixGC等高效的整理算法优化此阶段的性能

④分代GC（重点）

现代优秀的垃圾回收算法，会将上述描述的垃圾回收算法组合进行使用，其中应用最广的就是分代垃圾回收算法(Generational GC)。
分代垃圾回收将整个内存区域划分为年轻代和老年代，年轻代又划分为Eden区（伊甸园区）和幸存者区（包括S0和S1）

调整内存区域的大小

对象回收的执行流程

分代回收时，创建出来的对象，首先会被放入Eden伊甸园区。
随着对象在Eden区越来越多，如果Eden区满，新创建的对象已经无法放入，就会触发年轻代的GC，称为 Minor GC或者Young GC。
Minor GC会把需要eden中和From需要回收的对象回收，把没有回收的对象放入To区。
接下来，S0会变成To区，S1变成From区。当eden区满时再往里放入对象，依然会发生Minor GC。此时会回收eden区和S1(from)中的对象，并把eden和from区中剩余的对象放入S0，接下来，S0会变成From区，S1变成To区。注意：每次Minor GC中都会为对象记录他的年龄，初始值为0，每次GC完加1。
如果Minor GC后对象的年龄达到阈值（最大15，默认值和垃圾回收器有关），对象就会被晋升至老年代。
当老年代中空间不足，无法放入新的对象时，先尝试minor gc如果还是不足，就会触发Full GC，Full GC会对整个堆进行垃圾回收。如果Full GC依然无法回收掉老年代的对象，那么当对象继续放入老年代时，就会抛出Out Of Memory异常。

对象晋升的特殊情况

当 Eden 区没有足够空间进行分配时，虚拟机将发起一次 Minor GC。GC 期间虚拟机又发现对象无法存入 Survivor（幸存者）空间，所以只好通过 分配担保机制 把新生代的对象提前转移到老年代中去，而此时该对象的年龄则不需要达到阈值。

为什么分代GC算法要把堆分成年轻代和老年代？

可以通过调整年轻代和老年代的比例来适应不同类型的应用程序，提高内存的利用率和性能。
新生代和老年代使用不同的垃圾回收算法，新生代一般选择复制算法，老年代可以选择标记-清除和标记-整理算法，由程序员来选择灵活度较高。
分代的设计中允许只回收新生代（minor gc），如果能满足对象分配的要求就不需要对整个堆进行回收(full gc)，STW时间就会减少。

3.5垃圾回收器

如果说收集算法是内存回收的方法论，那么垃圾收集器就是内存回收的具体实现。

虽然我们对各个收集器进行比较，但并非要挑选出一个最好的收集器。因为直到现在为止还没有最好的垃圾收集器出现，更加没有万能的垃圾收集器，我们能做的就是根据具体应用场景选择适合自己的垃圾收集器。

JDK 默认垃圾收集器：

JDK 8：Parallel Scavenge（新生代）+ Parallel Old（老年代）
JDK 9 ~ JDK20: G1

垃圾回收器的组合关系

由于垃圾回收器分为年轻代和老年代，除了G1之外其他垃圾回收器必须成对组合进行使用。

具体的关系图如下：

添加JVM参数-XX:+UseSerialGC，新生代、老年代都将使用串行回收器
添加JVM参数-XX:+UseParNewGC 新生代使用ParNew回收器，老年代使用串行回收器(JDK9废弃)
添加JVM参数-XX:+UseParNewGC XX:+UseConcMarkSweepGC 新生代使用ParNew回收器，老年代使用CMS回收器。
添加JVM参数-XX:+UseParallelGC 或 -XX:+UseParallelOldGC可以使用 Parallel Scavenge + Parallel Old这种组合。

年轻代-Serial垃圾回收器

Serial是是一种单线程串行回收年轻代的垃圾回收器，采用复制算法回收。

优点：单CPU处理器下吞吐量非常出色
缺点：多CPU下吞吐量不如其他垃圾回收器，堆如果偏大会让用户线程处于长时间的等待
适用场景：Java编写的客户端程序或者硬件配置有限的场景

老年代-SerialOld垃圾回收器

SerialOld是Serial垃圾回收器的老年代版本，采用单线程串行回收，回收算法采用标记-整理算法

优点和缺点与Serial垃圾回收器一样
适用场景：①与Serial垃圾回收器搭配使用；②作为 CMS 收集器的后备方案

添加JVM参数-XX:+UseSerialGC，新生代、老年代都将使用串行回收器。

年轻代-ParNew垃圾回收器

ParNew垃圾回收器本质上是对Serial在多 CPU下的优化，使用多线程进行垃圾回收。

优点：多CPU处理器下停顿时间较短
缺点：吞吐量和停顿时间不如G1，所以在JDK9之后不建议使用
适用场景：JDK8及之前的版本中，与CMS老年代垃圾回收器搭配使用

添加JVM参数-XX:+UseParNewGC 新生代使用ParNew回收器，老年代使用串行回收器。

添加JVM参数-XX:+UseParNewGC XX:+UseConcMarkSweepGC 新生代使用ParNew回收器，老年代使用CMS回收器。

老年代-CMS(Concurrent Mark Sweep)垃圾回收器

CMS垃圾回收器关注的是系统的暂停时间，允许用户线程和垃圾回收线程在某些步骤中同时执行，减少了用户线程的等待时间。

从名字中的Mark Sweep这两个词可以看出，CMS 收集器是一种 “标记-清除”算法实现的，它的运作过程相比于前面几种垃圾收集器来说更加复杂一些。整个过程分为四个步骤：

初始标记：用极短的时间标记出GC Roots能直接关联到的对象。
并发标记：标记所有的对象，用户线程不需要暂停。
重新标记：由于并发标记阶段有些对象会发生了变化，存在错标、漏标等情况，需要重新标记。
并发清理：清理死亡的对象，用户线程不需要暂停。

优点：并发收集、低停顿
缺点：
- ①CMS使用了标记-清除算法，在垃圾收集结束之后会出现大量的内存碎片，CMS会在Full GC时进行碎片的整理。这样会导致用户线程暂停，可以使用-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=N 参数（默认0）调整N次Full GC之后再整理。
- ②无法处理在并发清理过程中产生的“浮动垃圾”(并发清理时，用户线程有可能会产生对象，并且可能有些对象立马不再使用了，那么这些对象只能留到下次清理，即浮动垃圾)，不能做到完全的垃圾回收。
- ③如果老年代内存不足无法分配对象，CMS就会退化成Serial Old单线程回收老年代。
- ④线程资源争抢问题
适用场景：大型的互联网系统中用户请求数据量大、频率高的场景。比如订单接口、商品接口等

年轻代-Parallel Scavenge垃圾回收器

Parallel Scavenge是JDK8默认的年轻代垃圾回收器，多线程并行回收，关注的是系统的吞吐量。具备自动调整堆内存大小的特点。

Parallel Scavenge允许手动设置最大暂停时间和吞吐量。

Oracle官方建议在使用这个组合时，不要设置堆内存的最大值，垃圾回收器会根据最大暂停时间和吞吐量自动调整内存大小。

设置最大暂停时间

-XX:MaxGCPauseMillis=n 设置每次垃圾回收时的最大停顿毫秒数。当我们把最大暂停时间设置更小时，Parallel Scavenge回收器会将堆内存减小，以减少最大停顿时间。

设置吞吐量

-XX:GCTimeRatio=n 设置吞吐量为n（用户线程执行时间 = n/n + 1）

自动调整内存大小（默认开启）

-XX:+UseAdaptiveSizePolicy设置可以让垃圾回收器根据吞吐量和最大停顿的毫秒数自动调整内存大小

注：比较短的最大暂停时间和比较高的吞吐量其实是矛盾的，所以如果同时设置了这两者，Parallel Scavenge回收器可能只能尽力达成其中一个目标。建议多次测试，将两者调成合理的值。

优点：吞吐量高，而且手动可控。为了提高吞吐量，虚拟机会动态调整堆的参数
缺点：不能保证单次的停顿时间
适用场景：后台任务，不需要与用户交互，并且容易产生大量的对象。比如：大数据的处理，大文件导出

老年代-Parallel Old垃圾回收器

Parallel Old是为Parallel Scavenge收集器设计的老年代版本，利用多线程并发收集。

优点：并发收集，在多核CPU下效率较高
缺点：暂停时间会比较长
适用场景：与Parallel Scavenge配套使用

添加JVM参数-XX:+UseParallelGC 或 -XX:+UseParallelOldGC可以使用 Parallel Scavenge + Parallel Old这种组合。

G1垃圾回收器（重点）

JDK9及之后默认的垃圾回收器是G1（Garbage First）垃圾回收器。JDK9及之后强烈建议使用G1垃圾回收器。

Parallel Scavenge关注吞吐量，允许用户设置最大暂停时间，但是会减少年轻代可用空间的大小。
CMS关注暂停时间，但是吞吐量方面会下降。

而G1设计目标就是将上述两种垃圾回收器的优点融合：

支持巨大的堆空间回收，并有较高的吞吐量。
支持多CPU并行垃圾回收。
允许用户设置最大暂停时间。

G1垃圾回收器 – 内存结构

G1出现之前的垃圾回收器，内存结构一般是连续的，如下图：

G1的整个堆会被划分成多个大小相等的区域，称之为区Region，区域不要求是连续的。分为Eden、Survivor、Old区。
Region的大小通过堆空间大小/2048计算得到，也可以通过参数-XX:G1HeapRegionSize=32m指定(其中32m指定region大小为32M)，Region size必须是2的指数幂，取值范围从1M到32M。