聊聊JAVA虛擬機(jī)中的垃圾收集器

前言

JAVA虛擬機(jī)的垃圾收集器是虛擬機(jī)內(nèi)存的清道夫，它的存在讓JAVA開(kāi)發(fā)人員能將更多精力投入到業(yè)務(wù)研發(fā)上。了解垃圾收集器，并利用好這個(gè)工具，能更好的保障服務(wù)穩(wěn)定性。這篇文章通過(guò)分析JAVA虛擬機(jī)內(nèi)存模型，介紹垃圾收集器常用算法和收集器類別，使得垃圾收集器的配置和使用變得不再遙不可及。

JAVA虛擬機(jī)內(nèi)存模型

JAVA虛擬機(jī)內(nèi)存可以劃分為：虛擬機(jī)棧、本地方法棧、JAVA堆內(nèi)存、方法區(qū)(包含運(yùn)行時(shí)常量池)、程序計(jì)數(shù)器、直接內(nèi)存。

虛擬機(jī)棧

虛擬機(jī)棧是線程私有的，生命周期跟線程相同。也就是說(shuō)一個(gè)線程被創(chuàng)建后，虛擬機(jī)為其分配了一個(gè)獨(dú)立的棧幀來(lái)存儲(chǔ)線程的局部變量、操作數(shù)、動(dòng)態(tài)鏈接、方法出口等信息，當(dāng)線程結(jié)束后，該棧幀也會(huì)被回收清理。

本地方法棧

本地方法棧是虛擬機(jī)的native方法執(zhí)行期間使用的一個(gè)棧幀。

JAVA堆內(nèi)存

堆內(nèi)存是被所有線程共享的一塊區(qū)域，用來(lái)存放對(duì)象實(shí)例和數(shù)組，屬于內(nèi)存中最大的一塊區(qū)域，也是垃圾收集的主要區(qū)域。從垃圾收集的角度看，堆內(nèi)存經(jīng)常分為新生代和老年代。

方法區(qū)

方法區(qū)也是被所有線程共享的一塊區(qū)域，用來(lái)存儲(chǔ)被虛擬機(jī)加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、JIT編譯后代碼等數(shù)據(jù)。也可以成為永久代。

程序計(jì)數(shù)器

程序計(jì)數(shù)器是線程私有的，作為當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號(hào)指示器，每個(gè)線程有一個(gè)程序計(jì)數(shù)器，用于記錄CPU切換線程時(shí)記錄當(dāng)前線程的執(zhí)行位置，以便下次繼續(xù)從當(dāng)前位置往下執(zhí)行。

直接內(nèi)存

這塊不屬于JAVA虛擬機(jī)內(nèi)存，但使用頻繁，也可稱之為“堆外內(nèi)存”

JAVA虛擬機(jī)垃圾收集器

根據(jù)上述對(duì)JAVA虛擬機(jī)內(nèi)存區(qū)域模型的介紹，我們知道JAVA程序中的對(duì)象實(shí)例都存儲(chǔ)在JAVA堆內(nèi)存中，因此垃圾收集主要也是針對(duì)堆內(nèi)存進(jìn)行。為了更好的管理JAVA對(duì)象實(shí)例，并結(jié)合對(duì)象實(shí)例的生存時(shí)間長(zhǎng)短，JAVA虛擬機(jī)將堆內(nèi)存分為新生代和老年代，分別存儲(chǔ)剛創(chuàng)建不久的對(duì)象和存活較長(zhǎng)時(shí)間的對(duì)象實(shí)例，并采用分代收集的策略分別回收新生代和老年代的內(nèi)存。

內(nèi)存分配與回收策略

• 1、 分代收集思路。根據(jù)JAVA對(duì)象的生存周期特點(diǎn)，虛擬機(jī)將堆內(nèi)存分為新生代和老年代，并分別采用新生代和老年代的垃圾回收策略。
• 2、 新生代細(xì)分為Eden區(qū)和兩個(gè)Survivor區(qū)(即From區(qū)和To區(qū))。大多數(shù)新生對(duì)象創(chuàng)建頻繁，且存活時(shí)間短，為了提高新生代區(qū)域垃圾收集效率，新創(chuàng)建的對(duì)象存放在Eden區(qū)，當(dāng)Eden區(qū)快滿的時(shí)候，虛擬機(jī)對(duì)其觸發(fā)一次Minor GC，將新生代存活對(duì)象移動(dòng)到From區(qū)，原來(lái)From區(qū)的對(duì)象根據(jù)存活年齡決定放到To區(qū)還是老年代，然后清空Eden區(qū)和From區(qū)，接著將To區(qū)對(duì)象全部移到From區(qū)。
• 3、 大對(duì)象直接進(jìn)入老年代，可以配置新生代對(duì)象的最大值，對(duì)象超過(guò)這個(gè)值就直接進(jìn)入老年代。
• 4、 發(fā)起Minor GC前，會(huì)先判斷老年代最大可用連續(xù)空間是否大于新生代對(duì)象占用的空間，如果小于或不允許冒險(xiǎn)，則觸發(fā)一次Full GC。

垃圾收集算法（3種基本算法）

• 1、 復(fù)制算法。針對(duì)于新生代的垃圾收集算法。當(dāng)新生代Eden區(qū)快滿的時(shí)候，將Eden區(qū)對(duì)象復(fù)制到From區(qū)，將From區(qū)對(duì)象根據(jù)存活年齡決定復(fù)制到To區(qū)還是到老年代，然后清除Eden區(qū)和From區(qū)，接著將To區(qū)對(duì)象復(fù)制到From區(qū)。
• 2、 標(biāo)記-清除算法。垃圾收集算法標(biāo)記出需要回收的對(duì)象，標(biāo)記完成后直接統(tǒng)一回收。垃圾收集器使用可達(dá)性分析來(lái)判斷哪些對(duì)象是否存活，通過(guò)設(shè)置一系列GC Roots節(jié)點(diǎn)（包括棧、方法區(qū)中的靜態(tài)屬性和常量所引用的對(duì)象，以及本地方法棧中引用的對(duì)象），從這類節(jié)點(diǎn)往下搜索，當(dāng)對(duì)象不在GC Root節(jié)點(diǎn)的引用鏈上時(shí)，說(shuō)明對(duì)象不可達(dá)，可以被回收。
• 3、 標(biāo)記-整理算法。垃圾收集算法標(biāo)記出需要回收的對(duì)象，標(biāo)記完成后將存活對(duì)象往內(nèi)存的一端移動(dòng)，然后直接清理掉端邊界以外的內(nèi)存。

常用垃圾收集器

由于虛擬機(jī)中的垃圾收集是分代收集的，新生代和老年代的垃圾收集策略不太一樣，所以一般是使用針對(duì)新生代和老年代的垃圾收集器組合。

• 1、 Serial GC。新生代收集器，采用復(fù)制算法，用于Client客戶端新生代垃圾收集，針對(duì)內(nèi)存占用較少的應(yīng)用進(jìn)行垃圾收集。
• 2、 Serial Old GC。老年代收集器，采用標(biāo)記-整理算法，用于Client客戶端老年代垃圾收集，針對(duì)內(nèi)存占用較少的應(yīng)用進(jìn)行垃圾收集。
• 3、 Parallel Scavenge GC。新生代收集器，采用復(fù)制算法，并行收集新生代內(nèi)存垃圾，可以設(shè)置垃圾收集器的吞吐量，還可以設(shè)置自動(dòng)適配調(diào)節(jié)吞吐量。
• 4、 Parallel New GC。新生代收集器，采用復(fù)制算法，并行收集新生代內(nèi)存垃圾。
• 5、 Parallel Old GC。老年代收集器，采用標(biāo)記-整理算法，并行收集老年代內(nèi)存垃圾。
• 6、 CMS GC。老年代收集器，采用標(biāo)記-清除算法，并行收集老年代內(nèi)存垃圾，不整理內(nèi)存。由于在執(zhí)行垃圾收集期間不中斷業(yè)務(wù)線程，所以容易產(chǎn)出“浮動(dòng)垃圾”，導(dǎo)致Full GC。可以通過(guò)設(shè)置參數(shù)來(lái)觸發(fā)內(nèi)存整理任務(wù)。
• 7、 G1 GC。不再將堆內(nèi)存區(qū)分新生代和老年代，而是將堆內(nèi)存看作若干個(gè)均分小區(qū)域，并對(duì)最空閑的內(nèi)存區(qū)域進(jìn)行標(biāo)記和回收。適用于大內(nèi)存的應(yīng)用。

配置垃圾收集機(jī)器參數(shù)

• 1、UseSerialGC：虛擬機(jī)允許在Client模式下的默認(rèn)值，打開(kāi)此配置后，虛擬機(jī)使用Serial GC + Serial Old GC 的收集器組合進(jìn)行內(nèi)存回收。
• 2、UseParNewGc：使用ParNew + Serial Old 的收集器組合進(jìn)行內(nèi)存回收。
• 3、UseConcMarkSweepGC：使用ParNew + CMS + Serial Old GC的收集器組合進(jìn)行內(nèi)存回收。
• 4、UseParallelGC：虛擬機(jī)允許在Server模式下的默認(rèn)值，使用Parallel Scavenge + Serial Old 的收集器組合進(jìn)行內(nèi)存回收。
• 5、UseParallelOldGC： 使用Parallel Scavenge + Parallel Old GC的收集器組合進(jìn)行內(nèi)存回收。
• 6、SuriviorRatio：新生代中Eden區(qū)域與Surivior區(qū)域的容量比值，默認(rèn)是8:1。
• 7、PretenureSizeThreshold：設(shè)置這個(gè)值后，大于這個(gè)值的對(duì)象直接進(jìn)入老年代。
• 8、MaxtenuringThreshold：對(duì)象年齡超過(guò)這個(gè)值時(shí)進(jìn)入老年代。
• 9、ParallelGCThreads：設(shè)置并行GC時(shí)進(jìn)行內(nèi)存回收的線程數(shù)。
• 10、UseAdaptiveSizePolicy：動(dòng)態(tài)調(diào)整堆內(nèi)存中各個(gè)區(qū)域的大小和進(jìn)入老年代的對(duì)象年齡。
• 11、HandlerPromotionFailure：是否允許分配擔(dān)保失敗。
• 12、GCTimeRatio：僅在Parallel ScaVenge收集器時(shí)生效，設(shè)置GC時(shí)間占總運(yùn)行時(shí)間的比率，默認(rèn)為1%。
• 13、MaxGCPauseMills：僅在Parallel ScaVenge收集器時(shí)生效，設(shè)置GC的最大停頓時(shí)間。
• 14、CMSInitiatingOccupancyFraction：設(shè)置CMS收集器在老年代空間被使用多少后觸發(fā)垃圾收集，默認(rèn)68%，在設(shè)置CMS收集器時(shí)生效。
• 15、UseCMSCompactAtFullCollection：在設(shè)置CMS收集器時(shí)生效，設(shè)置CMS收集器在完成垃圾收集后是否進(jìn)行一次碎片整理。
• 16、CMSFullGCsBeforeCompaction：僅在使用CMS時(shí)生效，設(shè)置CMS收集器在進(jìn)行若干次收集后再啟動(dòng)一次內(nèi)存碎片整理。