写在前面:
小伙伴儿们,大家好!上一次我们了解了JVM基础知识——全面解析JVM,超详细! 今天来学习JVM垃圾回收相关内容,作为面试必问的知识点,来深入了解一波!
思维导图:
我们在进行垃圾回收(Garbage Collection,简称GC)之前肯定要先判断哪些是垃圾。
在堆中几乎放着所有的对象实例,对堆垃圾回收前的第一步就是要判断那些对象已经死亡(即不能再被任何途径使用的对象)。
对象死亡
给对象添加一个引用计数器,每当有一个地方引用该对象时,计数器+1,当引用失效时,计数器-1,任何时候当计数器为0的时候,该对象不再被引用。
引用计数器这个方法实现简单,判定效率也高。但是,当前主流的虚拟机都没有采用这个算法来管理内存,其中最主要的原因是它很难解决对象之间互相循环引用的问题。
所谓对象之间互相循环引用,如下面代码所示:除了对象 objA 和 objB 相互引用着对方之外,这两个对象之间再无任何引用。但是它们因为互相引用对方,导致它们的引用计数器都不为 0,于是引用计数算法无法通知 GC 回收器回收他们。
public class ReferenceCountingGc {
public Object instance = null;
public static final int _1MB = 1024*1024;
public static void main(String[] args) {
ReferenceCountingGc objA = new ReferenceCountingGc();
ReferenceCountingGc objB = new ReferenceCountingGc();
objA.instance = objB;
objB.instance = objA;
objA = null;
objB = null;
}
}
这个算法的基本思想就是通过一系列的称为 “GC Roots” 的对象作为起点,从这些节点开始向下搜索,节点所走过的路径称为引用链,当一个对象到 GC Roots 没有任何引用链相连的话,则证明此对象是不可用的。
可达性分析算法
在Java语言中,可作为GC Roots的对象包括下面几种:
无论是通过引用计数法判断对象引用数量,还是通过可达性分析法判断对象的引用链是否可达,判定对象的存活都与“引用”有关。
JDK1.2 之前,Java 中引用的定义很传统:如果 reference
类型的数据存储的数值代表的是另一块内存的起始地址,就称这块内存代表一个引用。JDK1.2 以后,Java 对引用的概念进行了扩充,将引用分为强引用、软引用、弱引用、虚引用四种(引用强度逐渐减弱)。
以前我们使用的大部分引用实际上都是强引用,这是使用最普遍的引用。类似于“Object obj=new Object()”这类的引用,如果一个对象具有强引用,那就类似于必不可少的生活用品,垃圾回收器绝不会回收它。当内存空间不足,Java虚拟机宁愿抛出OutOfMemoryError
错误,使程序异常终止,也不会靠随意回收具有强引用的对象来解决内存不足问题。
如果一个对象只具有软引用,那就类似于可有可无的生活用品。如果内存空间足够,垃圾回收器就不会回收它,如果内存空间不足了,就会回收这些对象的内存。只要垃圾回收器没有回收它,该对象就可以被程序使用。软引用可用来实现内存敏感的高速缓存。
软引用可以和一个引用队列(ReferenceQueue
)联合使用,如果软引用所引用的对象被垃圾回收,JAVA 虚拟机就会把这个软引用加入到与之关联的引用队列中。
如果一个对象只具有弱引用,那就类似于可有可无的生活用品。弱引用与软引用的区别在于:只具有弱引用的对象拥有更短暂的生命周期。在垃圾回收器线程扫描它所管辖的内存区域的过程中,一旦发现了只具有弱引用的对象,不管当前内存空间足够与否,都会回收它的内存。不过,由于垃圾回收器是一个优先级很低的线程, 因此不一定会很快发现那些只具有弱引用的对象。
弱引用可以和一个引用队列(ReferenceQueue
)联合使用,如果弱引用所引用的对象被垃圾回收,Java 虚拟机就会把这个弱引用加入到与之关联的引用队列中。
"虚引用"顾名思义,就是形同虚设,与其他几种引用都不同,虚引用并不会决定对象的生命周期。如果一个对象仅持有虚引用,那么它就和没有任何引用一样,在任何时候都可能被垃圾回收。
虚引用主要用来跟踪对象被垃圾回收的活动。虚引用与软引用和弱引用的一个区别在于:虚引用必须和引用队列(ReferenceQueue)联合使用。当垃圾回收器准备回收一个对象时,如果发现它还有虚引用,就会在回收对象的内存之前,把这个虚引用加入到与之关联的引用队列中。程序可以通过判断引用队列中是否已经加入了虚引用,来了解被引用的对象是否将要被垃圾回收。程序如果发现某个虚引用已经被加入到引用队列,那么就可以在所引用的对象的内存被回收之前采取必要的行动。
特别注意,在世纪程序设计中一般很少使用弱引用与虚引用,使用软用的情况较多,这是因为软引用可以加速JVM对垃圾内存的回收速度,可以维护系统的运行安全,防止内存溢出(OutOfMemory
)等问题的产生。
运行时常量池主要回收的是废弃的常量。那么,我们如何判断一个常量是废弃常量呢?
假如在常量池中存在字符串"abc
" ,如果当前没有任何String
对象引用该字符串常量的话,就说明常量"abc
"就是废弃常量,如果这时发生内存回收的话而且有必要的话," abc
"就会被系统清理出常量池。
判定一个常量是否是“废弃常量”比较简单,而要判定一个类是否是“无用的类”的条件则相对苛刻许多。方法区主要回收无用的类,类需要同时满足下面3个条件才能算是 “无用的类” :
ClassLoader
已经被回收。java.lang.Class
对象没有在任何地方被引用,无法在任何地方通过反射访问该类的方法。虚拟机可以对满足上述3个条件的无用类进行回收,这里说的仅仅是“可以”,而并不是和对象一样不使用了就会必然被回收。
该算法分为“标记”和“清除”阶段:首先标记出所有不需要回收的对象,在标记完成后统一回收掉所有没有被标记的对象。它是最基础的收集算法,后续的算法都是对其不足进行改进得到。这种垃圾收集算法会带来两个明显的问题:
标记-清除算法
为了解决效率问题,“复制”收集算法出现了。它将可用内存分为大小相同的两块,每次使用其中的一块。当这一块的内存使用完后,就将还存活的对象复制到另一块去,然后再把使用的空间一次清理掉。这样就使每次的内存回收都是对内存区间的一半进行回收。实现简单,运行高效。
复制算法
根据老年代的特点提出的一种标记算法,标记过程仍然与“标记-清除”算法一样,但后续步骤不是直接对可回收对象回收,而是让所有存活的对象向一端移动,然后直接清理掉端边界以外的内存。
标记-整理算法
当前虚拟机的垃圾收集都采用分代收集算法,这种算法没有什么新的思想,只是根据对象存活周期的不同将内存分为几块。一般将 java 堆分为新生代和老年代,这样我们就可以根据各个年代的特点选择合适的垃圾收集算法。
比如在新生代中,每次收集都会有大量对象死去,所以可以选择复制算法,只需要付出少量对象的复制成本就可以完成每次垃圾收集。而老年代的对象存活几率是比较高的,而且没有额外的空间对它进行分配担保,所以我们必须选择“标记-清除”或“标记-整理”算法进行垃圾收集。
如果说收集算法是内存回收的方法论,那么垃圾收集器就是内存回收的具体实现。
虽然我们对各个收集器进行比较,但并非要挑选出一个最好的收集器。因为直到现在为止还没有最好的垃圾收集器出现,更加没有万能的垃圾收集器,我们能做的就是根据具体应用场景选择适合自己的垃圾收集器。试想一下:如果有一种四海之内、任何场景下都适用的完美收集器存在,那么我们的 HotSpot 虚拟机就不会实现那么多不同的垃圾收集器了。
常见的垃圾收集器
Serial
收集器Serial
收集器是最基本、历史最悠久的垃圾收集器了。从名字上看是串行的意思,这个收集器是一个单线程的新生代收集器。它的 “单线程” 的意义不仅仅意味着它只会使用一条垃圾收集线程去完成垃圾收集工作,更重要的是它在进行垃圾收集工作的时候必须暂停其他所有的工作线程( "Stop The World" ),直到它收集结束。
Serial收集器
Serial 采取 “复制算法” 实现,如果是在单 CPU 环境下,Serial 收集器没有线程交互的开销,理论上是可以获得最高的单线程执行效率,STW 的时间也可以控制在几十到几百毫秒内,这个时间是完全可以接受的。
与其他单线程收集器相比它的优点就是:它简单而高效(与其他收集器的单线程相比)。简单而高效 Serial 收集器由于没有线程交互的开销,自然可以获得很高的单线程收集效率。Serial 收集器对于运行在 Client 模式下的虚拟机来说是个不错的选择。
ParNew
收集器ParNew 收集器其实就是 Serial 收集器的多线程版本,除了使用多线程进行垃圾收集外,其余行为(控制参数、收集算法、回收策略等等)和 Serial 收集器完全一样。ParNew 收集器虽然有多线程优势,但在单 CPU 和多 CPU 环境下,效果并不一定会比 Serial 好,至少在单 CPU 环境下是肯定不如的 Serial 的。由于线程交互开销的时间,效果并不如人意,多线程的好处在于更高效率地利用 CPU ,提高 CPU 的吞吐量,让 CPU 空闲的时间减少。
新生代采用复制算法,老年代采用标记-整理算法。
ParNew收集器
它是许多运行在 Server 模式下的虚拟机的首要选择,除了 Serial 收集器外,只有它能与 CMS 收集器(真正意义上的并发收集器,后面会介绍到)配合工作。
Parallel Scavenge
收集器Parallel Scavenge 收集器也是使用复制算法的多线程收集器,它看上去几乎和ParNew都一样。那么它有什么特别之处呢?
Parallel Scavenge 收集器关注点是吞吐量(高效率的利用 CPU)。CMS 等垃圾收集器的关注点更多的是用户线程的停顿时间(提高用户体验)。所谓吞吐量就是 CPU 中用于运行用户代码的时间与 CPU 总消耗时间的比值。 Parallel Scavenge 收集器提供了很多参数供用户找到最合适的停顿时间或最大吞吐量,如果对于收集器运作不太了解,手工优化存在困难的时候,使用Parallel Scavenge收集器配合自适应调节策略,把内存管理优化交给虚拟机去完成也是一个不错的选择。
新生代采用复制算法,老年代采用标记-整理算法。
Parallel Scavenge收集器
这是 JDK1.8 默认收集器
使用java -XX:+PrintCommandLineFlags -version
命令查看
-XX:InitialHeapSize=197918400 -XX:MaxHeapSize=3166694400 -XX:+PrintCommandLineFlags -XX:+UseCompressedClassPointers -XX:+UseCompressedOops -XX:-UseLargePagesIndividualAllocation -XX:+UseParallelGC
java version "1.8.0_144"
Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.8.0_144-b01)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.144-b01, mixed mode)
查看结果
JDK1.8 默认使用的是 Parallel Scavenge + Parallel Old
,如果指定了-XX:+UseParallelGC
参数,则默认指定了-XX:+UseParallelOld GC
,可以使用-XX:-UseParallelOldGC
来禁用该功能。
Serial Old
收集器Serial 收集器的老年代版本,它同样是一个单线程收集器。它主要有两大用途:一种用途是在 JDK1.5 以及以前的版本中与 Parallel Scavenge 收集器搭配使用,另一种用途是作为 CMS 收集器的后备方案。
Parallel Old
收集器Parallel Scavenge 收集器的老年代版本。使用多线程和“标记-整理”算法。在注重吞吐量以及 CPU 资源的场合,都可以优先考虑 Parallel Scavenge 收集器和 Parallel Old 收集器。
CMS
收集器CMS(Concurrent Mark Sweep)收集器是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器。它非常符合在注重用户体验的应用上使用。
CMS(Concurrent Mark Sweep)收集器是 HotSpot 虚拟机第一款真正意义上的并发收集器,它第一次实现了让垃圾收集线程与用户线程(基本上)同时工作。
从名字中的Mark Sweep这两个词可以看出,CMS 收集器是一种 “标记-清除”算法实现的,它的运作过程相比于前面几种垃圾收集器来说更加复杂一些。整个过程分为四个步骤:
CMS收集器
两次STW,从它的名字就可以看出它是一款优秀的垃圾收集器,主要优点:并发收集、低停顿。但是它有下面三个明显的缺点:
什么是浮动垃圾?CMS在并发清理阶段,用户线程还在运行, 伴随着程序的运行自然也会产生新的垃圾,这一部分垃圾产生在标记过程之后,CMS无法再当次过程中处理,所以只有等到下次gc时候在清理掉,这一部分垃圾就称作“浮动垃圾”。
G1
收集器G1 (Garbage-First) 是一款面向服务器的垃圾收集器,主要针对配备多颗处理器及大容量内存的机器. 以极高概率满足 GC 停顿时间要求的同时,还具备高吞吐量性能特征。
被视为 JDK1.7 中 HotSpot 虚拟机的一个重要进化特征。它具备一下特点:
G1收集器运行示意图
G1 收集器在后台维护了一个优先列表,每次根据允许的收集时间,优先选择回收价值最大的 Region(这也就是它的名字 Garbage-First 的由来)。这种使用 Region 划分内存空间以及有优先级的区域回收方式,保证了 G1 收集器在有限时间内可以尽可能高的收集效率(把内存化整为零)。
参考文献: 《深入理解Java虚拟机(第2版).周志明》 https://xiaozhuanlan.com/topic/1847690325#section1java