JVM_3.垃圾回收

1.如何判断对象可以回收

1.1 引用计数法

Reference Counting

记录每个对象被引用的次数，当对象被引用时，引用计数器加1，当引用被释放时，引用计数器减1。当引用计数器为0时，说明该对象没有任何引用，可以被回收。

引用计数法的优点是实现简单，回收对象的时间可以很快。但是，引用计数法也存在一些问题，例如无法处理循环引用的情况。如果两个对象相互引用，它们的引用计数器会一直不为0，因此这两个对象将永远不会被回收，从而导致内存泄漏。Java虚拟机（JVM）没有使用引用计数算法来进行垃圾回收。

1.2 可达性分析算法

它的基本思想是通过一系列称为“根集”（Root Set）的对象作为起点，递归地遍历对象图，标记所有可达的对象，然后清除所有不可达的对象。

可以使用Eclipse Memory Analyzer Tool（MAT）来查看分析Java堆转储文件中的内存使用情况和对象引用关系

1.3 五种引用

强引用：强引用是最为常见的引用类型，它是指通过一个普通的Java对象变量引用另一个Java对象。只要强引用存在，垃圾回收器就不会回收被引用的对象。只有所有GC Roots对象都不通过[强引用]引用该对象，该对象才能被垃圾回收

Object obj = new Object();

软引用：软引用是一种比强引用弱一些的引用类型，它可以让对象存活一段时间，直到系统内存不足时才会回收。当JVM需要回收内存时，会先回收所有的弱引用对象，然后再回收所有的软引用对象。软引用可以通过java.lang.ref.SoftReference类来实现。仅有软引用引用该对象时,在垃圾回收后，内存仍不足时会再次出发垃圾回收，回收软引用对象可以配合引用队列来释放软引用自身

Object obj = new Object();
SoftReference<Object> softRef = new SoftReference<>(obj);

弱引用：弱引用是一种比软引用更加弱的引用类型，它可以让对象存活直到没有任何强引用指向它为止，即只有弱引用指向它时垃圾回收器会回收它。弱引用可以通过java.lang.ref.WeakReference类来实现。仅有弱引用引用该对象时,在垃圾回收时，无论内存是否充足，都会回收弱引用对象，可以配合引用队列来释放弱引用自身

Object obj = new Object();
WeakReference<Object> weakRef = new WeakReference<>(obj);

虚引用：虚引用是一种最弱的引用类型，它几乎没有引用价值，主要用于在对象被回收之前，做一些必要的清理工作。当垃圾回收器决定回收一个对象时，如果它存在虚引用，就会在回收对象之前将虚引用加入到一个队列中，程序可以通过这个队列来获取对象被回收的通知。虚引用可以通过java.lang.ref.PhantomReference类来实现。必须配合引用队列使用，主要配合 ByteBuffer 使用，被引用对象回收时，会将虚引用入队，由Reference Handler线程调用虚引用相关方法释放直接内存

Object obj = new Object();
PhantomReference<Object> phantomRef = new PhantomReference<>(obj, referenceQueue);

终结器引用：终结器引用是一种特殊的引用类型，它与对象的终结器相关联。在Java中，对象的终结器是一个方法，当垃圾回收器准备回收对象时，会先调用对象的终结器方法。终结器引用可以通过java.lang.ref.FinalizerReference类来实现，但是由于终结器引用的实现过于复杂，因此在Java 9中已经被弃用。无需手动编码，但其内部配合引用队列使用，在垃圾回收时，终结器引用入队(被引用对象暂时没有被回收)，再由Finalizer线程通过终结器弓|用找到被弓|用对象并调用它的finalize方法,第二次GC时才能回收被引用对象

2.垃圾回收算法

2.1 标记清除算法

清除时，并不需要将垃圾内存置零，而是记录下起始和结束位置，以提供给接下来的程序使用。然而，这样的做法可能会导致内存空间的碎片化，从而影响程序的性能。

2.2 标记整理算法

标记-整理算法则会先标记出所有需要回收的对象，然后将所有存活的对象向一端移动，最后清理掉不需要的对象。这个过程中，整理出来的存活对象会被移动到一端，释放出来的空闲内存空间会被整理成一块连续的内存区域，以便后续程序使用。这样的做法可以减少内存空间的碎片化，提高程序的性能。

2.3 复制算法

复制算法是一种基于空闲列表的垃圾回收算法，它将堆空间分成两块大小相同的区域，每次只使用其中一块，称为“From Space”，另一块则保持空闲，称为“To Space”。当From Space中的对象需要进行垃圾回收时，复制算法会将其中存活的对象复制到To Space中，并将From Space中的所有对象全部清除。这样一来，To Space中就会有一块连续的内存空间，可以供程序使用。

需要注意的是，Java虚拟机的垃圾回收算法是动态选择的，根据垃圾回收器的实现和运行时情况来选择合适的算法。因此，在实际应用中，可能会使用不同的垃圾回收器和不同的垃圾回收算法，以达到最优的垃圾回收效果。

3.分代垃圾回收

JVM中的内存被分为不同的区域，其中包括新生代和老年代。

新生代是JVM内存的一部分，它是用于存放新创建的对象的区域。当创建一个新的对象时，JVM将其分配到新生代中的Eden空间。如果Eden空间没有足够的空间来存放新对象，JVM将会启动垃圾回收机制，将不再被引用的对象清理出内存。如果存活下来的对象足够多，它们将会被移动到新生代中的Survivor空间。经过多次回收后仍然存活下来的对象会被晋升到老年代中。

老年代是JVM内存的另一部分，它是用于存放已经存活了一段时间的对象的区域。当一个对象在新生代经历了多次垃圾回收仍然存活下来，它将被移动到老年代中。老年代是相对稳定的，垃圾回收的频率比新生代要低。

• 对象首先分配在Eden(伊甸园)区域
• 新生代空间不足时，触发 minor gc，伊甸园和from存活的对象使用copy复制到to中，存活的对象年龄+1且交换 from to
• minor gc 会引发 stop the world，即暂停其他用户的线程，待垃圾回收结束，用户线程才恢复运行

• 当对象寿命超过阈值（最大是15->4bit）时，会晋升到老年代

  • 当需要分配一个大对象时，JVM会先检查老年代的剩余空间是否足够，如果足够，则将该对象直接分配到老年代中。
• 当老年代空间不足，会先尝试触发minor gc，如果之后空间仍然不足，那么触发 full gc，STW（stop the world）的时间更长

相关VM参数

4. 垃圾回收器

1. 串行

• 单线程
• 堆内存较小，适合个人电脑

2. 吞吐量优先

• 多线程
• 堆内存较大，多核CPU
• 使得单位时间内的STW的时间最短

3. 响应时间优先

• 多线程
• 对此内存较大，多核CPU
• 尽可能缩短单次STW时间

4.1 串行

-XX:+UseSerialGC=Serial + SerialOld

Serial->复制算法；SerialOld->标记整理算法

4.2 吞吐量优先

-XX:+UseParallelGC ~ -XX:+UseParallerOldGC

-XX:+UseAdapticeSizePolicy(动态调整)

-XX:GCTimeRatio=ratio(1/1+ratio -> 垃圾回收占总时间的比例)

-XX:MaxGCPauseMillis=ms

-XX:ParallelGCThreads=n(线程数)

4.3 响应时间优先

-XX:+UseConCMarkSweepGC ~ -XX:+UseParNewGC ~ SerialOld

-XX:ParallelGCThreads=n ~ -XX:ConcGCThreads=threads

-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=percent(老年代堆空间使用率的百分比阈值，默认是68%)

-XX:+CMSScavengeBeforeRemark

4.4 G1

定义: Garbage First

• 2004论文发布
• 2009 JDK 6u14体验
• 2012 JDK 7u4

官方支持

• 2017JDK9默认

适翻场景

• 同时注重吞吐量(Throughput) 和低延迟(Low latency)，默认的暂停目标是200 ms
• 超大堆内存,会将堆划分为多个大小相等的Region
• 整体上是标记+整理算法，两个区域之间是复制算法

相关JVM参数

• -XX:+UseG1GC
• -XX:G1HeapRegionSize=size
• -XX:MaxGCPauseMillis=time

1）G1垃圾回收阶段

3）Young Collection + CM

• 在Young GC 时会进行 GC Root的初始标记

• 老年代占用堆空间比例达到阈值时，进行并发标记（不会STW），由下面的JVM参数决定：

  -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=percent (默认45%)

4)Mixed GC

会对E、S、O进行全面垃圾回收

• 最终标记（Remark）会STW
• 拷贝存活（Evacuation）会STW

-XX:MaxGCPauseMillis=ms

优先收集较大的老年代内存区

5）Full GC

• SerialGC

  • 新生代内存不足发生的垃圾回收 - minor gc
  • 老生代内存不足发生的垃圾回收 - full gc

• ParallelGC

  • 新生代内存不足发生的垃圾回收 - minor gc
  • 老生代内存不足发生的垃圾回收 - full gc

• CMS

  • 新生代内存不足发生的垃圾回收 - minor gc

  • 老生代内存不足发生的垃圾回收

    • 并发收集失败 -> full gc

• G1

  • 新生代内存不足发生的垃圾回收 - minor gc

  • 老生代内存不足发生的垃圾回收

    • 新生代内存不足 -> Mixed GC
    • 老生代内存不足时 -> full gc

6）Young Collection 跨代引用

新生代回收的跨代引用（老年代引用新生代）问题

• 卡表与Remembered Set
• 在引用变更时通过post-write barrier + dirty card queue
• concurrent refinement threads更新Remembered Set

7）Remark

pre-write barrier + satb_mark_queue

8）JDK 8u20 字符串去重

• 优点:节省大量内存.
• 缺点:略微多占用了cpu时间,新生代回收时间略微增加

-XX: +UseStringDeduplication

String s1 = new String("hello"); // char[]{'h','e','l','1','o'}
String s2 = new String("hello"); // char[]{'h','e','1','l','o'}

• 将所有新分配的字符串放入一个队列
• 当新生代回收时，G1并发检查是否有字符串重复
• 如果它们值-样，让它们引用同一个char[]|

• 注意,与String. intern()不一样

  • String. intern()关注的是字符串对象
  • 而字符串去重关注的是char[]
  • 在JVM内部，使用了不同的字符串表

9）JDK 8u40并发标记类卸载

所有对象都经过并发标记后，就能知道哪些类不再被使用，当一个类加载器的所有类都不再使用,则卸载它所加载的所有类

条件包括：

1. 该类所有的实例都已被回收。
2. 该类的 ClassLoader 已经被回收。
3. 该类没有在其他地方被引用。

-XX:+ClassUnloadingWithConcurrentMark (默认启用)

10）JDK 8u60回收巨型对象

• 一个对象大于region的一半时，称之为巨型对象
• G1不会对巨型对象进行拷贝
• 回收时被优先考虑
• G1会跟踪老年代所有incoming引用，这样老年代incoming引用为0的巨型对象就可以在新生代垃圾回收时处理掉

11）JDK 9并发标记起始时间的调整

• 并发标记必须在堆空间占满前完成，否则退化为FullGC
• JDK 9之前需要使用-XX: InitiatingHeapOccupancyPercent

• JDK 9可以动态调整

  • -XX: InitiatingHeap0ccupancyPercent用来设置初始值
  • 进行数据采样并动态调整
  • 总会添加一个安全的空档空间

5.垃圾回收调优

java -XX:+PrintFlagsFinal -version | findstr "GC"

5.1 新生代调优

新生代的特点：

• 所有new操作的内存分配非常廉价

  • TLAB thread-local allocation buffer
• 死亡对象的回收代价是0
• 大部分对象用过即死
• Minor GC 的时间远远低于Full GC

调优原则：

• 晋升阈值配置得当，让长时间存活对象尽快晋升

-XX:MaxTenuringThreshold=threshold

-XX:+PrintTenuringDistribution

5.2 老年代调优

以CMS为例

• CMS的老年代内存越大越好
• 先尝试不做调优，如果没有Full GC说明老年代OK，否则先尝试调优新生代

• 观察发生Full GC时老年代的内存占用，将老年代内存预设调大1/4 ~ 1/3

  • -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=percent