JVM調(diào)優(yōu)之垃圾定位、垃圾回收算法、垃圾處理器的區(qū)別有哪些

本篇內(nèi)容主要講解“JVM調(diào)優(yōu)之垃圾定位、垃圾回收算法、垃圾處理器的區(qū)別有哪些”，感興趣的朋友不妨來看看。本文介紹的方法操作簡單快捷，實(shí)用性強(qiáng)。下面就讓小編來帶大家學(xué)習(xí)“JVM調(diào)優(yōu)之垃圾定位、垃圾回收算法、垃圾處理器的區(qū)別有哪些”吧!

什么是垃圾?

垃圾,主要是指堆上的對象,那么如何確定這些對象是可以被回收的呢?

大概思路就是,如果一個(gè)對象永遠(yuǎn)不可能被訪問到,那么就是垃圾,可以被回收了如何確定對象永遠(yuǎn)不會被使用呢?

引用計(jì)數(shù)法

在對象中添加一個(gè)引用計(jì)數(shù)器，每當(dāng)有一個(gè)地方引用它時(shí)，計(jì)數(shù)器值就加一；當(dāng)引用失效時(shí)，計(jì)數(shù)器值就減一；任何時(shí)刻計(jì)數(shù)器為零的對象就是不可能再被使用的。但是，在Java領(lǐng)域，至少主流的Java虛擬機(jī)里面都沒有選用引用計(jì)數(shù)算法來管理內(nèi)存，主要原因是，這個(gè)看似簡單的算法有很多例外情況要考慮，必須要配合大量額外處理才能保證正確地工作，譬如單純的引用計(jì)數(shù)就很難解決對象之間相互循環(huán)引用的問題。

如圖,每一個(gè)對象的引用都是1,構(gòu)成了循環(huán)引用,但是并不能被其他對象訪問,這兩個(gè)對象再無任何引用，引用計(jì)數(shù)算法也就無法回收它們。

代碼驗(yàn)證:

package com.courage; public class ReferenceCountingGC {     public Object instance = null;     private static final int _1MB = 1024 * 1024;     /**      * 這個(gè)成員屬性的唯一意義就是占點(diǎn)內(nèi)存，以便能在GC日志中看清楚是否有回收過      */     private byte[] bigSize = new byte[5* _1MB];     public static void testGC() {         //5 M         ReferenceCountingGC objA = new ReferenceCountingGC();         //5 M         ReferenceCountingGC objB = new ReferenceCountingGC();         objA.instance = objB;         objB.instance = objA;         objA = null;         objB = null; // 假設(shè)在這行發(fā)生GC，objA和objB是否能被回收？         System.gc();     }     public static void main(String[] args) {         testGC();     } }

執(zhí)行結(jié)果:

[0.004s][warning][gc] -XX:+PrintGCDetails is deprecated. Will use -Xlog:gc* instead. [0.012s][info   ][gc,heap] Heap region size: 1M [0.015s][info   ][gc     ] Using G1 [0.015s][info   ][gc,heap,coops] Heap address: 0x0000000701000000, size: 4080 MB, Compressed Oops mode: Zero based, Oop shift amount: 3 ...... [0.119s][info   ][gc,metaspace   ] GC(0) Metaspace: 805K->805K(1056768K) [0.119s][info   ][gc             ] GC(0) Pause Full (System.gc()) 14M->0M(8M) 2.886ms [0.119s][info   ][gc,cpu         ] GC(0) User=0.03s Sys=0.00s Real=0.00s [0.120s][info   ][gc,heap,exit   ] Heap ......

為了篇幅,我將部分打印內(nèi)容省略了,可見System.gc()后內(nèi)存占用由14M->0M,將對象這10M釋放了。也就是JVM里面并沒使用引用計(jì)數(shù)法來標(biāo)記垃圾。

根可達(dá)算法

這個(gè)算法的基本思路就是通過一系列稱為“GC Roots”的根對象作為起始節(jié)點(diǎn)集，從這些節(jié)點(diǎn)開始，根據(jù)引用關(guān)系向下搜索，搜索過程所走過的路徑稱為“引用鏈”（Reference Chain），如果某個(gè)對象到GC Roots間沒有任何引用鏈相連，或者用圖論的話來說就是從GC Roots到這個(gè)對象不可達(dá)時(shí)，則證明此對象是不可能再被使用的。

在Java技術(shù)體系里面，固定可作為GC Roots的對象包括以下幾種：

1. 鴻蒙官方戰(zhàn)略合作共建——HarmonyOS技術(shù)社區(qū)

2. 在虛擬機(jī)棧（棧幀中的本地變量表）中引用的對象，譬如各個(gè)線程被調(diào)用的方法堆棧中使用到的
   參數(shù)、局部變量、臨時(shí)變量等在方法區(qū)中類靜態(tài)屬性引用的對象，譬如Java類的引用類型靜態(tài)變量。

3. 在方法區(qū)中常量引用的對象，譬如字符串常量池（String Table）里的引用。

4. 在本地方法棧中JNI（即通常所說的Native方法）引用的對象。

5. Java虛擬機(jī)內(nèi)部的引用，如基本數(shù)據(jù)類型對應(yīng)的Class對象，一些常駐的異常對象（比如
   NullPointExcepiton、OutOfMemoryError）等，還有系統(tǒng)類加載器。

6. 所有被同步鎖（synchronized關(guān)鍵字）持有的對象。

7. 反映Java虛擬機(jī)內(nèi)部情況的JMXBean、JVMTI中注冊的回調(diào)、本地代碼緩存等。

垃圾回收算法

本文介紹了常見的三種垃圾回收算法（mark-sweep,mark-compact,mark-copy），是java虛擬機(jī)各種垃圾收集器的算法基礎(chǔ)。

垃圾回收算法思想

當(dāng)前商業(yè)虛擬機(jī)的垃圾收集器，大多數(shù)都遵循了“分代收集”（Generational Collection）的理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，分代收集名為理論，實(shí)質(zhì)是一套符合大多數(shù)程序運(yùn)行實(shí)際情況的經(jīng)驗(yàn)法則，它建立在兩個(gè)分代假說之上：

1）弱分代假說（Weak Generational Hypothesis）：絕大多數(shù)對象都是朝生夕滅的。

2）強(qiáng)分代假說（Strong Generational Hypothesis）：熬過越多次垃圾收集過程的對象就越難以消亡。

這兩個(gè)分代假說共同奠定了多款常用的垃圾收集器的一致的設(shè)計(jì)原則：收集器應(yīng)該將Java堆劃分出不同的區(qū)域，然后將回收對象依據(jù)其年齡（年齡即對象熬過垃圾收集過程的次數(shù)）分配到不同的區(qū)域之中存儲顯而易見，如果一個(gè)區(qū)域中大多數(shù)對象都是朝生夕滅，難以熬過垃圾收集過程的話，那么把它們集中放在一起，每次回收時(shí)只關(guān)注如何保留少量存活而不是去標(biāo)記那些大量將要被回收的對象，就能以較低代價(jià)回收到大量的空間；

如果剩下的都是難以消亡的對象，那把它們集中放在一塊，虛擬機(jī)便可以使用較低的頻率來回收這個(gè)區(qū)域，這就同時(shí)兼顧了垃圾收集的時(shí)間開銷和內(nèi)存的空間有效利用。

標(biāo)記-清除算法 Mark-Sweep

算法分為“標(biāo)記”和“清除”兩個(gè)階段：首先標(biāo)記出所有需要回收的對象，在標(biāo)記完成后，統(tǒng)一回收掉所有被標(biāo)記的對象，也可以反過來，標(biāo)記存活的對象，統(tǒng)一回收所有未被標(biāo)記的對象。

它的主要缺點(diǎn)有兩個(gè)：

第一個(gè)是執(zhí)行效率不穩(wěn)定，如果Java堆中包含大量對象，而且其中大部分是需要被回收的，這時(shí)必須進(jìn)行大量標(biāo)記和清除的動作，導(dǎo)致標(biāo)記和清除兩個(gè)過程的執(zhí)行效率都隨對象數(shù)量增長而降低；

第二個(gè)是內(nèi)存空間的碎片化問題，標(biāo)記、清除之后會產(chǎn)生大量不連續(xù)的內(nèi)存碎片，空間碎片太多可能會導(dǎo)致當(dāng)以后在程序運(yùn)行過程中需要分配較大對象時(shí)無法找到足夠的連續(xù)內(nèi)存而不得不提前觸發(fā)另一次垃圾收集動作。

標(biāo)記-復(fù)制 Mark-Copy

標(biāo)記-復(fù)制算法常被簡稱為復(fù)制算法它將可用內(nèi)存按容量劃分為大小相等的兩塊，每次只使用其中的一塊。當(dāng)這一塊的內(nèi)存用完了，就將還存活著的對象復(fù)制到另外一塊上面，然后再把已使用過的內(nèi)存空間一次清理掉。

如果內(nèi)存中多數(shù)對象都是存活的，這種算法將會產(chǎn)生大量的內(nèi)存間復(fù)制的開銷，但對于多數(shù)對象都是可回收的情況，算法需要復(fù)制的就是占少數(shù)的存活對象，而且每次都是針對整個(gè)半?yún)^(qū)進(jìn)行內(nèi)存回收，分配內(nèi)存時(shí)也就不用考慮有空間碎片的復(fù)雜情況，只要移動堆頂指針，按順序分配即可。這樣實(shí)現(xiàn)簡單，運(yùn)行高效，不過其缺陷也顯而易見，這種復(fù)制回收算法的代價(jià)是將可用內(nèi)存縮小為了原來的一半，空間浪費(fèi)未免太多了。

標(biāo)記-壓縮 Mark-Compact

標(biāo)記-復(fù)制算法在對象存活率較高時(shí)就要進(jìn)行較多的復(fù)制操作，效率將會降低。更關(guān)鍵的是，如果不想浪費(fèi)50%的空間，就需要有額外的空間進(jìn)行分配擔(dān)保，以應(yīng)對被使用的內(nèi)存中所有對象都100%存活的極端情況，所以在老年代一般不能直接選用這種算法。

標(biāo)記-壓縮算法其中的標(biāo)記過程仍然與“標(biāo)記-清除”算法一樣，但后續(xù)步驟不是直接對可回收對象進(jìn)行清理，而是讓所有存活的對象都向內(nèi)存空間一端移動，然后直接清理掉邊界以外的內(nèi)存:

標(biāo)記-清除算法與標(biāo)記-整理算法的本質(zhì)差異在于前者是一種非移動式的回收算法，而后者是移動式的。是否移動回收后的存活對象是一項(xiàng)優(yōu)缺點(diǎn)并存的風(fēng)險(xiǎn)決策：如果移動存活對象，尤其是在老年代這種每次回收都有大量對象存活區(qū)域，移動存活對象并更新所有引用這些對象的地方將會是一種極為負(fù)重的操作，而且這種對象移動操作必須全程暫停用戶應(yīng)用程序(STW問題)才能進(jìn)行 。

垃圾處理器

基于上面的三種垃圾回收算法,衍生出7種垃圾回收器:

Serial收集器

這個(gè)收集器是一個(gè)單線程工作的收集器，但它的“單線程”的意義并不僅僅是說明它只會使用一個(gè)處理器或一條收集線程去完成垃圾收集工作，更重要的是強(qiáng)調(diào)在它進(jìn)行垃圾收集時(shí)，必須暫停其他所有工作線程，直到它收集結(jié)束。

迄今為止，它依然是HotSpot虛擬機(jī)運(yùn)行在客戶端模式下的默認(rèn)新生代收集器，有著優(yōu)于其他收集器的地方，那就是簡單而高效（與其他收集器的單線程相比），對于內(nèi)存資源受限的環(huán)境，它是所有收集器里額外內(nèi)存消耗（Memory Footprint） [1] 最小的；對于單核處理器或處理器核心數(shù)較少的環(huán)境來說，Serial收集器由于沒有線程交互的開銷，專心做垃圾收集自然可以獲得最高的單線程收集效率。Serial收集器對于運(yùn)行在客戶端模式下的虛擬機(jī)來說是一個(gè)很好的選擇。

ParNew收集器

ParNew收集器實(shí)質(zhì)上是Serial收集器的多線程并行版本，除了同時(shí)使用多條線程進(jìn)行垃圾收集之

外，其余的行為包括Serial收集器可用的所有控制參數(shù)（例如：-XX：SurvivorRatio、-XX：

PretenureSizeThreshold、-XX：HandlePromotionFailure等）、收集算法、Stop The World、對象分配規(guī)

則、回收策略等都與Serial收集器完全一致，在實(shí)現(xiàn)上這兩種收集器也共用了相當(dāng)多的代碼。

ParNew收集器除了支持多線程并行收集之外，其他與Serial收集器相比并沒有太多創(chuàng)新之處，但它

卻是不少運(yùn)行在服務(wù)端模式下的HotSpot虛擬機(jī)，尤其是JDK 7之前的遺留系統(tǒng)中首選的新生代收集

器，其中有一個(gè)與功能、性能無關(guān)但其實(shí)很重要的原因是：

除了Serial收集器外，目前只有它能與CMS

收集器配合工作,另一方面CMS的出現(xiàn)鞏固了ParNew的地位

ParNew收集器在單核心處理器的環(huán)境中絕對不會有比Serial收集器更好的效果，甚至由于存在線程

交互的開銷，該收集器在通過超線程（Hyper-Threading）技術(shù)實(shí)現(xiàn)的偽雙核處理器環(huán)境中都不能百分之百保證超越Serial收集器。當(dāng)然，隨著可以被使用的處理器核心數(shù)量的增加，ParNew對于垃圾收集時(shí)

系統(tǒng)資源的高效利用還是很有好處的。

Parallel Scavenge收集器

Parallel Scavenge收集器也是一款新生代收集器，它同樣是基于標(biāo)記-復(fù)制算法實(shí)現(xiàn)的收集器，也是能夠并行收集的多線程收集器……Parallel Scavenge的諸多特性從表面上看和ParNew非常相似，那它有什么特別之處呢？

Parallel Scavenge收集器的特點(diǎn)是它的關(guān)注點(diǎn)與其他收集器不同，CMS等收集器的關(guān)注點(diǎn)是盡可能地縮短垃圾收集時(shí)用戶線程的停頓時(shí)間，而Parallel Scavenge收集器的目標(biāo)則是達(dá)到一個(gè)可控制的吞吐量（Throughput）。所謂吞吐量就是處理器用于運(yùn)行用戶代碼的時(shí)間與處理器總消耗時(shí)間的比值，即：

如果虛擬機(jī)完成某個(gè)任務(wù)，用戶代碼加上垃圾收集總共耗費(fèi)了100分鐘，其中垃圾收集花掉1分鐘，那吞吐量就是99%。停頓時(shí)間越短就越適合需要與用戶交互或需要保證服務(wù)響應(yīng)質(zhì)量的程序，良好的響應(yīng)速度能提升用戶體驗(yàn)；而高吞吐量則可以最高效率地利用處理器資源，盡快完成程序的運(yùn)算任務(wù)，主要適合在后臺運(yùn)算而不需要太多交互的分析任務(wù)。

由于與吞吐量關(guān)系密切，Parallel Scavenge收集器也經(jīng)常被稱作“吞吐量優(yōu)先收集器”。

Serial Old收集器

Serial Old是Serial收集器的老年代版本，它同樣是一個(gè)單線程收集器，使用標(biāo)記-整理算法。這個(gè)收集器的主要意義也是供客戶端模式下的HotSpot虛擬機(jī)使用。如果在服務(wù)端模式下，它也可能有兩種用途：一種是在JDK 5以及之前的版本中與Parallel Scavenge收集器搭配使用，另外一種就是作為CMS收集器發(fā)生失敗時(shí)的后備預(yù)案，在并發(fā)收集發(fā)生Concurrent Mode Failure時(shí)使用。

Parallel Old收集器

Parallel Old是Parallel Scavenge收集器的老年代版本，支持多線程并發(fā)收集，基于標(biāo)記-整理算法實(shí)現(xiàn)。這個(gè)收集器是直到JDK 6時(shí)才開始提供的，在此之前，新生代的Parallel Scavenge收集器一直處于相當(dāng)尷尬的狀態(tài)，原因是如果新生代選擇了Parallel Scavenge收集器，老年代除了Serial Old（PSMarkSweep）收集器以外別無選擇，其他表現(xiàn)良好的老年代收集器，如CMS無法與它配合工作。

由于老年代Serial Old收集器在服務(wù)端應(yīng)用性能上的“拖累”，使用Parallel Scavenge收集器也未必能在整體上獲得吞吐量最大化的效果。

同樣，由于單線程的老年代收集中無法充分利用服務(wù)器多處理器的并行處理能力，在老年代內(nèi)存空間很大而且硬件規(guī)格比較高級的運(yùn)行環(huán)境中，這種組合的總吞吐量甚至不一定比ParNew加CMS的組合來得優(yōu)秀。直到Parallel Old收集器出現(xiàn)后，“吞吐量優(yōu)先”收集器終于有了比較名副其實(shí)的搭配組合，在注重吞吐量或者處理器資源較為稀缺的場合，都可以優(yōu)先考慮Parallel Scavenge加Parallel Old收集器這個(gè)組合。

CMS收集器

CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是一種以獲取最短回收停頓時(shí)間為目標(biāo)的收集器。目前很大一部分的Java應(yīng)用集中在互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)站或者基于瀏覽器的B/S系統(tǒng)的服務(wù)端上，這類應(yīng)用通常都會較為關(guān)注服務(wù)的響應(yīng)速度，希望系統(tǒng)停頓時(shí)間盡可能短，以給用戶帶來良好的交互體驗(yàn)。CMS收集器就非常符合這類應(yīng)用的需求。

從名字（包含“Mark Sweep”）上就可以看出CMS收集器是基于標(biāo)記-清除算法實(shí)現(xiàn)的，它的運(yùn)作過程相對于前面幾種收集器來說要更復(fù)雜一些，整個(gè)過程分為四個(gè)步驟，包括：

1）初始標(biāo)記（CMS initial mark）

2）并發(fā)標(biāo)記（CMS concurrent mark）

3）重新標(biāo)記（CMS remark）

4）并發(fā)清除（CMS concurrent sweep）

其中初始標(biāo)記、重新標(biāo)記這兩個(gè)步驟仍然需要“Stop The World”。初始標(biāo)記僅僅只是標(biāo)記一下GCRoots能直接關(guān)聯(lián)到的對象，速度很快；并發(fā)標(biāo)記階段就是從GC Roots的直接關(guān)聯(lián)對象開始遍歷整個(gè)對象圖的過程，這個(gè)過程耗時(shí)較長但是不需要停頓用戶線程，可以與垃圾收集線程一起并發(fā)運(yùn)行；而重新標(biāo)記階段則是為了修正并發(fā)標(biāo)記期間，因用戶程序繼續(xù)運(yùn)作而導(dǎo)致標(biāo)記產(chǎn)生變動的那一部分對象的標(biāo)記記錄，這個(gè)階段的停頓時(shí)間通常會比初始標(biāo)記階段稍長一些，但也遠(yuǎn)比并發(fā)標(biāo)記階段的時(shí)間短；最后是并發(fā)清除階段，清理刪除掉標(biāo)記階段判斷的已經(jīng)死亡的對象，由于不需要移動存活對象，所以這個(gè)階段也是可以與用戶線程同時(shí)并發(fā)的。由于在整個(gè)過程中耗時(shí)最長的并發(fā)標(biāo)記和并發(fā)清除階段中，垃圾收集器線程都可以與用戶線程一起工作，所以從總體上來說，CMS收集器的內(nèi)存回收過程是與用戶線程一起并發(fā)執(zhí)行的。

優(yōu)點(diǎn)：并發(fā)收集、低停頓

缺點(diǎn)：1.對處理器資源非常敏感

2.無法處理“浮動垃圾”（Floating Garbage）

3.空間碎片

Garbage First收集器

Garbage First（簡稱G1）收集器是垃圾收集器技術(shù)發(fā)展歷史上的里程碑式的成果，它開創(chuàng)了收集器面向局部收集的設(shè)計(jì)思路和基于Region的內(nèi)存布局形式。G1是一款主要面向服務(wù)端應(yīng)用的垃圾收集器。

在G1收集器出現(xiàn)之前的所有其他收集器，包括CMS在內(nèi)，垃圾收集的目標(biāo)范圍要么是整個(gè)新生代（Minor GC），要么就是整個(gè)老年代（Major GC），再要么就是整個(gè)Java堆（Full GC）。而G1跳出了這個(gè)樊籠，它可以面向堆內(nèi)存任何部分來組成回收集（Collection Set，一般簡稱CSet）進(jìn)行回收，衡量標(biāo)準(zhǔn)不再是它屬于哪個(gè)分代，而是哪塊內(nèi)存中存放的垃圾數(shù)量最多，回收收益最大，這就是G1收集器的Mixed GC模式。G1開創(chuàng)的基于Region的堆內(nèi)存布局是它能夠?qū)崿F(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的關(guān)鍵。雖然G1也仍是遵循分代收集理論設(shè)計(jì)的，但其堆內(nèi)存的布局與其他收集器有非常明顯的差異：G1不再堅(jiān)持固定大小以及固定數(shù)量的分代區(qū)域劃分，而是把連續(xù)的Java堆劃分為多個(gè)大小相等的獨(dú)立區(qū)域（Region），每一個(gè)Region都可以根據(jù)需要，扮演新生代的Eden空間、Survivor空間，或者老年代空間。收集器能夠?qū)Π缪莶煌巧腞egion采用不同的策略去處理，這樣無論是新創(chuàng)建的對象還是已經(jīng)存活了一段時(shí)間、熬過多次收集的舊對象都能獲取很好的收集效果。

Region中還有一類特殊的Humongous區(qū)域，專門用來存儲大對象。G1認(rèn)為只要大小超過了一個(gè)Region容量一半的對象即可判定為大對象。每個(gè)Region的大小可以通過參數(shù)-XX：G1HeapRegionSize設(shè)定，取值范圍為1MB～32MB，且應(yīng)為2的N次冪。而對于那些超過了整個(gè)Region容量的超級大對象，將會被存放在N個(gè)連續(xù)的Humongous Region之中，G1的大多數(shù)行為都把Humongous Region作為老年代的一部分來進(jìn)行看待，如圖3-12所示。

雖然G1仍然保留新生代和老年代的概念，但新生代和老年代不再是固定的了，它們都是一系列區(qū)域（不需要連續(xù)）的動態(tài)集合。G1收集器之所以能建立可預(yù)測的停頓時(shí)間模型，是因?yàn)樗鼘egion作為單次回收的最小單元，即每次收集到的內(nèi)存空間都是Region大小的整數(shù)倍，這樣可以有計(jì)劃地避免在整個(gè)Java堆中進(jìn)行全區(qū)域的垃圾收集。更具體的處理思路是讓G1收集器去跟蹤各個(gè)Region里面的垃圾堆積的“價(jià)值”大小，價(jià)值即回收所獲得的空間大小以及回收所需時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)值，然后在后臺維護(hù)一個(gè)優(yōu)先級列表，每次根據(jù)用戶設(shè)定允許的收集停頓時(shí)間（使用參數(shù)-XX：MaxGCPauseMillis指定，默認(rèn)值是200毫秒），優(yōu)先處理回收價(jià)值收益最大的那些Region，這也就是“Garbage First”名字的由來。這種使用Region劃分內(nèi)存空間，以及具有優(yōu)先級的區(qū)域回收方式，保證了G1收集器在有限的時(shí)間內(nèi)獲取盡可能高的收集效率。

垃圾處理器總結(jié)

目前是新生代老年代垃圾回收器組合方式:

到此，相信大家對“JVM調(diào)優(yōu)之垃圾定位、垃圾回收算法、垃圾處理器的區(qū)別有哪些”有了更深的了解，不妨來實(shí)際操作一番吧！這里是億速云網(wǎng)站，更多相關(guān)內(nèi)容可以進(jìn)入相關(guān)頻道進(jìn)行查詢，關(guān)注我們，繼續(xù)學(xué)習(xí)！