HotSpot虚拟机垃圾回收算法及收集器

news2024/11/26 21:39:06

目录

一、对象引用

二、堆区和方法区回收

1. 堆区回收

2. 方法区回收 

三、垃圾回收算法

1. 算法总结

2. 算法相关细节 

四、垃圾收集器 

1. 新生代收集器

2. 老年代收集器

3. 混合式收集器G1

4. 低延迟收集器

五、参考资料

一、对象引用

        判定对象是否存活和引用离不开关系。JDK 1.2之后，有四种引用：强引用（Strongly Reference）、软引用（Soft Reference）、弱引用（Weak Reference）、虚引用（Phantom Reference），其引用强度依次减弱（强软弱虚）。

        若下代码所示，是四种引用的使用方式。

package com.cmmon.instance.gc;

import com.alibaba.fastjson.JSON;
import org.junit.jupiter.api.Test;

import java.lang.ref.PhantomReference;
import java.lang.ref.ReferenceQueue;
import java.lang.ref.SoftReference;
import java.lang.ref.WeakReference;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

/**
 * @author tcm
 * @version 1.0.0
 * @description JDK1.2的4种引用
 * @date 2023/5/24 17:25
 **/
public class ReferenceTest {

    /**
     * 强引用：new的对象，只要有引用链，则GC永远不会回收
     */
    @Test
    public void testStronglyReference() {
        // new创建对象，是强引用
        Map<String, String> map = new HashMap<>();
        map.put("name", "stronglyReference");

        System.out.println(JSON.toJSONString(map.keySet()));
    }

    /**
     * 软引用：内存不足时，GC会回收SoftReference所引用的对象
     * 适用场景：缓存
     */
    @Test
    public void testSoftReference() throws InterruptedException {
        // 软引用
        SoftReference<Map<String, String>> softReference = new SoftReference<Map<String, String>>(new HashMap<>());

        Map<String, String> map = softReference.get();
        if (map == null) {
            // 下面代码，这样做，仍然可能为null（概率很小）
            softReference = new SoftReference<Map<String, String>>(new HashMap<>());
        }
        map = softReference.get();

        map.put("name", "test");
        System.out.println(JSON.toJSONString(map.keySet()));
    }

    /**
     * 弱引用：内存是否足够都要回收，则只能生存到下一次GC回收WeakReference所引用的对象
     * 适用场景：Debug、内存监视工具等程序中（一般要求即要观察到对象，又不能影响该对象正常的GC过程）
     */
    @Test
    public void testWeakReference(){
        WeakReference<Map<String, String>> weakReference = new WeakReference<Map<String, String>>(new HashMap<>());
        Map<String, String> map = weakReference.get();

        if (map == null) {
            // 下面代码，这样做，仍然可能为null（概率很小）
            weakReference = new WeakReference<Map<String, String>>(new HashMap<>());
        }
        map = weakReference.get();

        map.put("name", "test");
        System.out.println(JSON.toJSONString(map.keySet()));
    }

    /**
     * 虚引用：无法通过虚引用来获取一个对象实例，目的回收时通知系统
     * 以下代码报错：java.lang.NullPointerException
     */
    @Test
    public void testPhantomReference(){
        PhantomReference<Map<String, String>> phantomReference = new PhantomReference<Map<String, String>>(new HashMap<>(), new ReferenceQueue());
        Map<String, String> map = phantomReference.get();

        if (map == null) {
            phantomReference = new PhantomReference<Map<String, String>>(new HashMap<>(), new ReferenceQueue());
        }
        map = phantomReference.get();
        map.put("name", "test"); // 报空指针异常
        System.out.println(JSON.toJSONString(map.keySet()));
    }

}

二、堆区和方法区回收

1. 堆区回收

        对象“死去”，说明没有任何引用指向该对象，即：对象没有被任何引用使用。那么，如何判定一个对象是否存活呢？对象存活算法有两种：引用计数算法、可达性分析算法（目前使用），如下图所示。

        目前HotSpot虚拟机采用可达性分析算法来判定对象是否存活，某对象没有任何引用链（Reference Chain） ，则对象“死去”，如下图所示。

        根据上述，哪些内容可作为GC Roots？如下图所示。

        同时，准确且完整的GC Roots至关重要。目前所有收集器在进行枚举GC Roots对象时，都需要暂停用户线程来获取整个堆区原始快照（SATB：Snapshot At The Beginning），以达到GC Roots的准确性；不同的收集器，存在跨代和跨区引用问题（记忆集解决），以达到完整。详细见收集器章节。

        一个对象最多经历两次标记，如下图所示。其中，finalize()方法在Object中，只能被调用一次，第二次调用时则失效，所以：拯救对象再次能活，可以在finalize()方法再次引用（不推荐使用），测试代码如下。

package com.cmmon.instance.gc;

/**
 * @author tcm
 * @version 1.0.0
 * @description TODO
 * @date 2023/4/19 9:53
 **/
public class FinalizeEscapeGC {

    public static FinalizeEscapeGC SAVE_HOOK = null;

    private static final int _1MB = 1024 * 1024;

    private byte[] space1 = new byte[4 * _1MB];

    public void isAlive() {
        System.out.println("是的，我还活着！");
    }

    /**
     * 系统只能调用一次，推荐不使用该方法
     * @throws Throwable
     */
    @Override
    protected void finalize() throws Throwable {
        super.finalize();
        System.out.println("进入finalize()方法");
        FinalizeEscapeGC.SAVE_HOOK = this;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SAVE_HOOK = new FinalizeEscapeGC();

        // 第一次自救，则成功
        SAVE_HOOK = null;
        /*
            注意：若使用-XX:+DisableExplicitGC禁止人工触发GC，
                 则不会触发Full GC，更不会进入finalize()方法，SAVE_HOOK = null时，则已经死了
         */
        System.gc();
        Thread.sleep(1000 * 6);
        if (SAVE_HOOK != null) {
            SAVE_HOOK.isAlive();
        } else {
            System.out.println("我已经死了！");
        }

        // 第二次自救，则失败
//        SAVE_HOOK = null;
//        System.gc();
//        Thread.sleep(5000);
//        if (SAVE_HOOK != null) {
//            SAVE_HOOK.isAlive();
//        } else {
//            System.out.println("2我已经死了！");
//        }
    }

    /*
    执行结果：
        [GC (System.gc()) [PSYoungGen: 4592K->1173K(37888K)] 4592K->1181K(123904K), 0.0283448 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.04 secs]
        [Full GC (System.gc()) [PSYoungGen: 1173K->0K(37888K)] [ParOldGen: 8K->1042K(86016K)] 1181K->1042K(123904K), [Metaspace: 3060K->3060K(1056768K)], 0.0072510 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.01 secs]
        进入finalize()方法
        是的，我还活着！
        [GC (System.gc()) [PSYoungGen: 1310K->64K(37888K)] 2353K->1106K(123904K), 0.0005835 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
        [Full GC (System.gc()) [PSYoungGen: 64K->0K(37888K)] [ParOldGen: 1042K->1039K(86016K)] 1106K->1039K(123904K), [Metaspace: 3061K->3061K(1056768K)], 0.0057221 secs] [Times: user=0.02 sys=0.00, real=0.00 secs]
        2我已经死了！
        Heap
         PSYoungGen      total 37888K, used 1638K [0x00000000d6380000, 0x00000000d8d80000, 0x0000000100000000)
          eden space 32768K, 5% used [0x00000000d6380000,0x00000000d6519b40,0x00000000d8380000)
          from space 5120K, 0% used [0x00000000d8880000,0x00000000d8880000,0x00000000d8d80000)
          to   space 5120K, 0% used [0x00000000d8380000,0x00000000d8380000,0x00000000d8880000)
         ParOldGen       total 86016K, used 1039K [0x0000000082a00000, 0x0000000087e00000, 0x00000000d6380000)
          object space 86016K, 1% used [0x0000000082a00000,0x0000000082b03fe0,0x0000000087e00000)
         Metaspace       used 3068K, capacity 4486K, committed 4864K, reserved 1056768K
          class space    used 324K, capacity 386K, committed 512K, reserved 1048576K
     */

}

2. 方法区回收 

        方法区回收主要是废弃的常量、不再使用的类型。需要主要的是：JDK7版本方法区内的常量池、静态变量移至堆中；JDK8使用元空间（Metaspace）代替永久代，主要存储类信息。

三、垃圾回收算法

1. 算法总结

        如下表所示，垃圾回收算法总结。

算法

特点

标记-清除

（Mark-Sweep）

1.标记存活的对象，统一回收所有未被标记的对象；

2.最基础的收集算法；

3.缺点：内存碎片化，大对象分配时没有足够连续空间，则提前触发GC；

              对象数量增加时，标记和清除两个过程执行效率低

4.适用：老年代；

5.采用该算法收集器：CMS。

标记-复制

（Mark-Copy）

1.“半区复制”：内存按大小相等分两块

              （使用一块；存活对象复制到另一块）；

2.“Appel式回收”：新生代分为一个Eden区、两个Survivor区

   （每次可用一个Eden区、一个Survivor区；存活对象复制到另一个Survivor区）

3.缺点：“半区复制”内存浪费大，缩小一半；

              “Appel式回收”，默认90%可用（Eden:Survivor=8:1）

4.适用：新生代；

5.采用该算法收集器：Serial、ParNew。

标记-整理

（Mark-Compact）

1.标记后不直接清理，而是所有存活对象向内存空间一端移动（整理）后，再清除；

2.整理时，需要移动对象，则必须暂停用户线程才能进行

 （注意：最新的ZGC、Shenandoah收集器使用读屏障解决该问题）；

3.缺点：移动对象时，需暂停用户线程（Stop the World）；效率低；

4.适用：老年代；

5.采用该算法收集器：Parallel Old。

        需要注意的是，分代收集是上面三种算法的混合使用。分代收集存在跨代引用问题，用记忆集（Remembered Set）解决。如下图所示，是分代收集假说及注意问题。

2. 算法相关细节 

        算法的实现细节，如：GC Root枚举、安全点、安全区域、记忆集、写屏障、三色标记等，如下如图所示。 

        其中，从GC Roots扫描整个堆的对象图时，按照“是否访问过” 用三种颜色标记。标记整个堆的对象是很耗时，用户线程停顿时，导致用户体验差。那么，与用户线程并发来进行可达性分析时会出现问题，如下图所示。

        如下图所示，并发时的解决方案。

四、垃圾收集器 

        下图所示是HotSpot虚拟机的垃圾收集器，图中连线说明可搭配使用。其中JDK9废弃Serial + CMS、ParNew + Serial Old。

        垃圾收集器三大指标：内存占用（Footprint）、吞吐量（ThroughPut）、延迟（Latency），一款优秀的收集器最多同时达成两项。而理想中的收集器其收集速率与内存分配速率相当，而不是整堆清除。

        虚拟机吞吐量（ThroughPut） =  CPU运行用户代码时间 / ( CPU运行用户代码时间 + CPU运行垃圾回收时间 )。停顿时间短适合用户交互或保证服务响应的程序，提升交互体验；吞吐量高适合运算量大的服务，提高利用资源效率。

        各类收集器并发情况，如下图所示。Shenandoah、ZGC两款只有初始标记、最终标记这部分是固定的，与堆容量、堆的对象数量没有关系。

1. 新生代收集器

新生代收集器

特点

Serial

1.JDK1.3之前新生代收集器；

2.单线程收集，整个GC过程必须暂停用户线程；

3.算法：标记-复制；

4.缺点：整个GC过程必须暂停用户线程。

ParNew

1.JDK5新生代收集器；

2.多线程收集，整个GC过程必须暂停用户线程；

3.算法：标记-复制；

4.缺点：整个GC过程必须暂停用户线程；

5.与Serial比较：多线程，其他都一样；

6.只与CMS老年代收集器联合使用。

Parallel Scavenge

1.JDK7新生代收集器；

2.多线程收集，整个GC过程必须暂停用户线程；

3.算法：标记-复制；

4.缺点：整个GC过程必须暂停用户线程；

5.Parallel Scavenge关注点是达到可控的吞吐量；

   CMS关注点尽可能缩短停顿时间。

2. 老年代收集器

3. 混合式收集器G1

4. 低延迟收集器

        低延迟收集：Shenandoah（OpenJDK支持）、ZGC（OracleJDK12支持），这两款收集器抛弃了分代收集、记忆集等概念。

五、参考资料

JVM垃圾收集器（很全很全） - 简书

关于垃圾收集算法与垃圾收集器ParNew与CMS_parnew收集器_秋天的一亩三分地的博客-CSDN博客

详解ZGC垃圾收集器-CSDN博客

69.G1垃圾回收的详细过程 -了解_simpleGq的博客-CSDN博客

G1垃圾回收器_赵军林的博客-CSDN博客

垃圾收集算法——分代收集算法（Generational Collection）。_分代收集算法根据各个年代的特点采用最适当的收集算法_孤芳不自賞的博客-CSDN博客https://www.cnblogs.com/yufengzhang/p/10571081.html 

为对象分配内存——TLAB_usetlab_chengqiuming的博客-CSDN博客

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