如何進行JVM垃圾回收

本篇文章為大家展示了如何進行JVM垃圾回收，內(nèi)容簡明扼要并且容易理解，絕對能使你眼前一亮，通過這篇文章的詳細介紹希望你能有所收獲。

首先要在這里介紹一下80/20 法則:

>約僅有20%的變因操縱著80%的局面。也就是說：所有變量中，最重要的僅有20%，雖然剩余的80%占了多數(shù)，控制的范圍卻遠低于“關(guān)鍵的少數(shù)”。

Java 對象的生命周期也滿足也這樣的定律，即大部分的 Java 對象只存活一小段時間，而存活下來的小部分 Java 對象則會存活很長一段時間。

因此，這也就造就了 JVM 中分代回收的思想。簡單來說，就是將堆空間劃分為兩代，分別叫做新生代和老年代。新生代用來存儲新建的對象。當(dāng)對象存活時間夠長時，則將其移動到老年代。

這樣也就可以讓 JVM 給不同代使用不同的回收算法。

對于新生代，我們猜測大部分的 Java 對象只存活一小段時間，那么便可以頻繁地采用耗時較短的垃圾回收算法，讓大部分的垃圾都能夠在新生代被回收掉。

對于老年代，我們猜測大部分的垃圾已經(jīng)在新生代中被回收了，而在老年代中的對象有大概率會繼續(xù)存活。當(dāng)真正觸發(fā)針對老年代的回收時，則代表這個假設(shè)出錯了，或者堆的空間已經(jīng)耗盡了。此時，JVM 往往需要做一次全堆掃描，耗時也將不計成本。（當(dāng)然，現(xiàn)代的垃圾回收器都在并發(fā)收集的道路上發(fā)展，來避免這種全堆掃描的情況。）

那么，我們先來看看 JVM 中堆究竟是如何劃分的。

堆劃分

按照上文所述，JVM 將堆劃分為新生代和老年代，其中，新生代又被劃分為 Eden 區(qū)，以及兩個大小相同的 Survivor 區(qū)。

通常來說，當(dāng)我們調(diào)用 new 指令時，它會在 Eden 區(qū)中劃出一塊作為存儲對象的內(nèi)存。由于堆空間是線程共享的，因此直接在這里邊劃空間是需要進行同步的。否則，將有可能出現(xiàn)兩個對象共用一段內(nèi)存的事故。

JVM 的解決方法是為每個線程預(yù)先申請一段連續(xù)的堆空間，并且只允許每個線程在自己申請過的堆空間中創(chuàng)建對象，如果申請的堆空間被用完了，那么再繼續(xù)申請即可，這也就是 TLAB（Thread Local Allocation Buffer，對應(yīng)虛擬機參數(shù) -XX:+UseTLAB，默認開啟）。

此時，如果線程操作涉及到加鎖，則該線程需要維護兩個指針（實際上可能更多，但重要也就兩個），一個指向 TLAB 中空余內(nèi)存的起始位置，一個則指向 TLAB 末尾。

接下來的 new 指令，便可以直接通過指針加法（bump the pointer）來實現(xiàn)，即把指向空余內(nèi)存位置的指針加上所請求的字節(jié)數(shù)。

如果加法后空余內(nèi)存指針的值仍小于或等于指向末尾的指針，則代表分配成功。否則，TLAB 已經(jīng)沒有足夠的空間來滿足本次新建操作。這個時候，便需要當(dāng)前線程重新申請新的 TLAB。

那有沒有可能出現(xiàn)申請不到的情況呢？有的，這個時候就會觸發(fā)Minor GC了。

Minor GC

所謂 Minor GC，就是指： >當(dāng) Eden 區(qū)的空間耗盡時，JVM 會進行一次 Minor GC，來收集新生代的垃圾。存活下來的對象，則會被送到 Survivor 區(qū)。

上文提到，新生代共有兩個 Survivor 區(qū)，我們分別用 from 和 to 來指代。其中 to 指向的 Survivior 區(qū)是空的。

當(dāng)發(fā)生 Minor GC 時，Eden 區(qū)和 from 指向的 Survivor 區(qū)中的存活對象會被復(fù)制到 to 指向的 Survivor 區(qū)中，然后交換 from 和 to 指針，以保證下一次 Minor GC 時，to 指向的 Survivor 區(qū)還是空的。

JVM 會記錄 Survivor 區(qū)中每個對象一共被來回復(fù)制了幾次。如果一個對象被復(fù)制的次數(shù)為 15（對應(yīng)虛擬機參數(shù) -XX:+MaxTenuringThreshold），那么該對象將被晉升（promote）至老年代。

另外，如果單個 Survivor 區(qū)已經(jīng)被占用了 50%（對應(yīng)虛擬機參數(shù) -XX:TargetSurvivorRatio），那么較高復(fù)制次數(shù)的對象也會被晉升至老年代。

總而言之，當(dāng)發(fā)生 Minor GC 時，我們應(yīng)用了標記 - 復(fù)制算法，將 Survivor 區(qū)中的老存活對象晉升到老年代，然后將剩下的存活對象和 Eden 區(qū)的存活對象復(fù)制到另一個 Survivor 區(qū)中。理想情況下，Eden 區(qū)中的對象基本都死亡了，那么需要復(fù)制的數(shù)據(jù)將非常少，因此采用這種標記 - 復(fù)制算法的效果極好。

Minor GC 的另外一個好處是不用對整個堆進行垃圾回收。但是，它卻有一個問題，那就是老年代中的對象可能引用新生代的對象。也就是說，在標記存活對象的時候，我們需要掃描老年代中的對象。如果該對象擁有對新生代對象的引用，那么這個引用也會被作為 GC Roots。這樣一來，豈不是又做了一次全堆掃描呢？

為了避免掃描全堆，JVM 引入了名為卡表的技術(shù)，大致地標出可能存在老年代到新生代引用的內(nèi)存區(qū)域。有興趣的朋友可以去詳細了解一下，這里限于篇幅，就不具體介紹了。

Full GC

那什么時候會發(fā)生Full GC呢？針對不同的垃圾收集器，F(xiàn)ull GC 的觸發(fā)條件可能不都一樣。按 HotSpot VM 的 serial GC 的實現(xiàn)來看，觸發(fā)條件是:

>當(dāng)準備要觸發(fā)一次 Minor GC 時，如果發(fā)現(xiàn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)說之前 Minor GC 的平均晉升大小比目前老年代剩余的空間大，則不會觸發(fā) Minor GC 而是轉(zhuǎn)為觸發(fā) Full GC。 > >因為 HotSpot VM 的 GC 里，除了垃圾回收器 CMS 能單獨收集老年代之外，其他的 GC 都會同時收集整個堆，所以不需要事先準備一次單獨的 Minor GC。

垃圾回收

基礎(chǔ)的回收方式有三種：清除、壓縮、復(fù)制，接下來讓我們來一一了解一下。

清除

所謂清除，就是把死亡對象所占據(jù)的內(nèi)存標記為空閑內(nèi)存，并記錄在一個空閑列表之中。當(dāng)需要新建對象時，內(nèi)存管理模塊便會從該空閑列表中尋找空閑內(nèi)存，并劃分給新建的對象。

其原理十分簡單，但是有兩個缺點：

1. 會造成內(nèi)存碎片。由于 JVM 的堆中對象必須是連續(xù)分布的，因此可能出現(xiàn)總空閑內(nèi)存足夠，但是無法分配的極端情況。

2. 分配效率較低。如果是一塊連續(xù)的內(nèi)存空間，那么我們可以通過指針加法（pointer bumping）來做分配。而對于空閑列表，JVM 則需要逐個訪問空閑列表中的項，來查找能夠放入新建對象的空閑內(nèi)存。

壓縮

所謂壓縮，就是把存活的對象聚集到內(nèi)存區(qū)域的起始位置，從而留下一段連續(xù)的內(nèi)存空間。

這種做法能夠解決內(nèi)存碎片化的問題，但代價是壓縮算法的性能開銷，因此分配效率問題依舊沒有解決。

復(fù)制

所謂復(fù)制，就是把內(nèi)存區(qū)域平均分為兩塊，分別用兩個指針 from 和 to 來維護，并且只是用 from 指針指向的內(nèi)存區(qū)域來分配內(nèi)存。當(dāng)發(fā)生垃圾回收時，便把存活的對象復(fù)制到 to 指針所指向的內(nèi)存區(qū)域中，并且交換 from 指針和 to 指針的內(nèi)容。

這種回收方式同樣能夠解決內(nèi)存碎片化的問題，但是它的缺點也極其明顯，即堆空間的使用效率極其低下。

具體垃圾收集器

針對新生代的垃圾回收器共有三個：Serial ，Parallel Scavenge 和 Parallel New。這三個采用的都是標記 - 復(fù)制算法。

其中，Serial 是一個單線程的，Parallel New 可以看成是 Serial 的多線程版本，Parallel Scavenge 和 Parallel New 類似，但更加注重吞吐率。此外，Parallel Scavenge 不能與 CMS 一起使用。

針對老年代的垃圾回收器也有三個：Serial Old ，Parallel Old 和 CMS。

Serial Old 和 Parallel Old 都是標記 - 壓縮算法。同樣，前者是單線程的，而后者可以看成前者的多線程版本。

CMS 采用的是標記 - 清除算法，并且是并發(fā)的。除了少數(shù)幾個操作需要 STW(Stop the world) 之外，它可以在應(yīng)用程序運行過程中進行垃圾回收。在并發(fā)收集失敗的情況下，JVM 會使用其他兩個壓縮型垃圾回收器進行一次垃圾回收。由于 G1 的出現(xiàn)，CMS 在 Java 9 中已被廢棄。

G1（Garbage First）是一個橫跨新生代和老年代的垃圾回收器。實際上，它已經(jīng)打亂了前面所說的堆結(jié)構(gòu)，直接將堆分成極其多個區(qū)域。每個區(qū)域都可以充當(dāng) Eden 區(qū)、Survivor 區(qū)或者老年代中的一個。它采用的是標記 - 壓縮算法，而且和 CMS 一樣都能夠在應(yīng)用程序運行過程中并發(fā)地進行垃圾回收。

G1 能夠針對每個細分的區(qū)域來進行垃圾回收。在選擇進行垃圾回收的區(qū)域時，它會優(yōu)先回收死亡對象較多的區(qū)域。這也是 G1 名字的由來。

主要講述的是 JVM 中具體的垃圾回收方法，從對象的生存規(guī)律，引出回收方法，結(jié)合多線程的特點，逐步優(yōu)化，最終產(chǎn)生了我們現(xiàn)在所能知道各種垃圾收集器。

上述內(nèi)容就是如何進行JVM垃圾回收，你們學(xué)到知識或技能了嗎？如果還想學(xué)到更多技能或者豐富自己的知識儲備，歡迎關(guān)注億速云行業(yè)資訊頻道。