Java虚拟机的JVM垃圾回收机制

1.JVM内存空间

 

  JVM堆（Heap）= 新生代（Young） + 旧生代（Tenured）

 分区作用： 

新创建的对象通常先将其分配在新生代中，在新生代中经过若干次GC之后仍未释放的对象，再将它移动到旧生代。为了让内存回收更高效（GC会暂停JVM中的应用），Sun JDK在1.2开始对堆采用了分代管理的方式。在分配对象遇到内存不足时，先对新生代进行GC（Young GC）；当新生代GC之后仍无法满足内存空间分配需求时， 才会对整个堆空间以及方法区进行GC （Full GC）

 相关参数：

-Xms                       -- 设置堆内存初始大小

 -Xmx                       -- 设置堆内存最大值

-XX:MaxTenuringThreshold  -- 设置对象在新生代中存活的次数

-XX:PretenureSizeThreshold  -- 设置超过指定大小的大对象直接分配在旧生代中

 注意点：当新生代设置得太小时，也可能引发大对象直接分配到旧生代中。

 

  新生代（Young）= Eden区 + Survivor区

 分区作用：

Eden区为对象通常最初分配到的地方，Survivor区分为S0和S1两块大小相等的区域。JVM进行Minor GC时，将Eden中还存活的对象拷贝到Survivor区中，还会将Survivor区中还存活的对象拷贝到Tenured区中。在这种GC模式下，JVM为了提升GC效率， 将Survivor区分为S0和S1，这样就可以将对象回收和对象晋升分离开来。

 相关参数：

-Xmn             -- 设置新生代内存大小。

-XX:SurvivorRatio  -- 设置Eden与Survivor空间的大小比例

 注意点： 图中Virtual部分表示可伸缩的内存空间，当用-Xms在指定堆的初始大小为128m，通过-Xmx指定堆最大为256m时，JVM会根据内存情况在128m与256m之间伸缩。为了避免JVM进行这些伸缩消耗性能，对于能够提供稳定内存空间的用作服务器的JVM，通常将-Xms和-Xmx设置为相等。

  方法区（Perm）

 分区作用：

也被成为持久代，用来存放JVM加载的类型信息。包括: 类型基本信息，常量池，字段信息，方法信息，类变量，指向ClassLoader的引用，Class类的引用，方法表等。方法区是全局共享的，在一定条件下也会被GC。

 相关参数：

-XX:PermSize        --设置Perm区的初始大小

-XX:MaxPermSize    --设置Perm区的最大值

 

  JVM方法栈（注意：不是分区）

 作用： 

JVM方法栈为JVM线程私有内存，当方法运行完毕后，其对应的栈帧内存会自动释放

 相关参数：

-Xss                  --设置方法栈的最大值

 TLAB：

JVM所占用的主要内存都是从堆空间分配的，堆是所有线程共享的，因此在堆上分配内存需要加锁，Sun JDK为提升效率，会为每个新建的线程在Eden上分配一块独立的空间由该线程独享，这块空间称为TLAB（Thread Local Allocation Buffer）。其大小由JVM根据运行情况计算得到，也可通过参数-XX:TLABWasteTargetPercent来设置TLAB可占用的Eden空间的百分比，默认值为1%。在TLAB上分配内存不需要加锁，因此JVM在给线程中的对象分配内存时会尽量在TLAB上分配。如果对象过大或TLAB用完，则仍然在堆上进行分配。

2.Sun JDK GC收集器

收集器主要分为引用计数器和跟踪收集器两种，Sun JDK中采用跟踪收集器作为GC实现策略。

  跟踪收集器简介

跟踪收集器采用集中式的管理方式，全局记录数据的引用状态。触发执行时需要从根节点来扫描对象的引用关系，可能会造成应用程序暂停。主要有三种实现算法：复制（Copying） 、 标记-清除（Mark-Sweep） 、 标记-压缩（Mark-Compact） 。下文将简单介绍这三种算法的过程，有助于后续的GC策略理解和分析。

  复制（Copying）

 算法：复制采用的方式为从根集合扫描出存活的对象，并将找到的存活对象复制到一块新的完全未使用的空间中。

 过程：注意，红叉为不存活的对象所占用内存空间

  标记-清除（Mark-Sweep）

 算法：标记-清除采用的方式为从根集合开始扫描，对存活的对象进行标记，标记完毕后，再扫描整个空间中未标记的对象，并进行回收。

 过程：

ü   优缺点：在空间中存活对象较多的情况下较为高效，但由于该算法为直接回收不存活对象所占用的内存，因此会造成内存碎片。

 

标记-压缩（Mark-Compact）

ü   算法：标记阶段与“标记-清除”算法相同，但在清除阶段有所不同。在回收不存活对象所占用的内存空间后，会将其他所有存活对象都往左端空闲的空间进行移动，并更新引用其对象指针。

ü   过程：

 

ü   优缺点：在“标记-清除”的基础上还需要进行对象移动，成本相对较高，好处则是不产生内存碎片。

  

 

3.  Sun JDK GC策略

 

图4 Sun JDK中可用的GC方式

 

基于上一小节讲解的跟踪收集器算法，Sun JDK在新生代和老生代进行了不同的算法实现，形成了上图中的GC方式分布。本小节将具体介绍新生代和老生带的GC策略及组合方式。

 

  新生代 – 串行GC（Serial Copying）

 算法：复制（Copy）

 过程：

 1. 扫描出新生代中存活的对象；

 2. Minor GC将存活的对象复制到做为To Space的S0/S1区；

 3. 之前做为To Space/From Spache的S0/S1区对换角色；

 4. 经历过几次Minor GC仍然存活的对象，放入老生代。

  新生代 – 并行回收GC（Parallel Scavenge）

 算法：复制（Copy）

 过程：在扫描和复制时均采用多线程方式进行（如下图），并且并行回收GC为大的新生代回收做了很多优化（可以自行扩展阅读相关资料）。

 优势：在多CPU的机器上其GC耗时会比串行方式短，适合多CPU、对暂停时间要求较短的应用。

 配置方式：本身是Server级别多CPU机器上的默认GC方式，也可以通过-XX:+UseParallelGC来指定，并且可以采用-XX:ParallelGCThread来指定线程数。

  新生代 – 并行GC（ParNew）

 算法：复制（Copy）

 过程：与并行回收GC（Parallel Scavenge）的区别在于并行GC（ParNew）必须配合老生代使用CMS GC。原因是CMS GC在进行老生代GC时，有些过程是并发执行的。如果此时发生了Minor GC，需要进行相应处理，而并行回收GC（Parallel Scavenge）是没有做这些处理的。也正是如此，ParNew GC不可与并行的老生代GC同时使用。

 配置方式：在配置为CMS GC的情况下，新生代默认使用并行GC（ParNew）方式，也可以通过-XX:+UseParNewGC来指定。

  老生代 – 串行GC（Serial MSC）

 算法：Mark-Sweep-Compact，该算法结合Mark-Sweep和Mark-Compact做了一些改进。

 过程：

 1. 扫描出老生代中存活的对象，进行标识；

 2. 遍历整个老生代和持久代内存空间，找出未被标识的对象，并回收其内存；

 3. 进行滑动压缩（Sliding Compaction），将存活对象向老生代空间的开始处滑动，最终留出一块连续的到结尾的内存空间。

 优缺点：串行执行的过程中为单线程，需要暂停应用并耗时较长。

 配置方式：是client模式默认采用的GC方式，也可以通过-XX:UseSerialGC进行指定。

  老生代 – 并行GC（Parallel Mark Sweep、Parallel Compacting）

 算法：Mark -Compact

 过程：

 1. 将老生代划分为并行线程个数的区域（regions）；

 2. 并行进行存活对象扫描和标记；

 3. 单线程对各区域进行扫描，标记需要压缩移动的区域；

 4. 并行进行对象移动和区域不存活对象的回收。

 优缺点：多线程同时操作以及dense prefix优化，会缩短应用暂停时间。但由于老生代较大，在扫描和标识对象上需要花费较长时间。

 配置方式：通过-XX:+UseParallelGC来指定使用Parallel Mark Sweep；通过-XX:UseParallelOldGC来指定使用Parallel Compacting。

  老生代 – 并发GC（CMS：Concurrent Mark-Sweep GC）

 算法：Mark –Sweep

 过程：

 1. 第一次标记（Initial Marking）：暂停整个应用，扫描从根集合点到老生代中可直接访问到的对象，并进行标记；

 2. 并发标记（Concurrent Marking）：恢复所有应用的线程，同时开始并发对之前标记过的对象进行轮循，以标记这些对象可访问的对象；

 3. 重新标记（Remark）：暂停整个应用，扫描在第二步中被改变引用关系或新创建的对象，并进行标记；

 4. 并发收集（Concurrent Sweeping）：恢复所有应用的线程，将没有标记的对象进行单线程回收。针对内存碎片，CMS会尽量将相邻的块重新组装成一个块。

 

 优缺点：如上图，优点是只有在第一次标记和重新标记阶段需要暂停整个应用，所以能够做到影响应用响应时间很短。缺点是并发标记和并发收集阶段CMS会与应用线程争用CPU资源（用增量CMS模式可以缓解），并且容易产生内存碎片，free-list机制会导致Minor GC效率下降。

 配置方法：通过-XX:UseConcMarkSweepGC来启动老生代CMS GC；通过-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection来启动内存碎片整理功能（整理也会暂停应用）。

 

  4.Sun JDK GC默认策略及组合策略

ü   Clinet、Server模式默认GC策略

	新生代GC方式	旧生代和持久代GC方式
Client	串行GC	串行GC
Server	并行回收GC	Parallel Mark Sweep GC

 

 

ü   Sun JDK GC组合方式

	新生代GC	旧生代和持久代GC
-XX:+UseSerialGC	串行GC	串行GC
-XX:+UseParallelGC	并行回收GC	Parallel Mark Sweep GC
-XX:+UseConcMarkSweepGC	并行GC	并发GC 当出现Concurrent Mode Failure时采用串行GC
-XX:+UseParNewGC	并行GC	串行GC
-XX:+UseParallelOldGC	并行回收GC	Parallel Mark Conpact
-XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:-UseParNewGC	串行GC	并发GC 当出现Concurrent Mode Failure或Promotion Failed时采用串行GC
不支持的组合方式	1．-XX:+UseParNewGC -XX:+UseParallelOldGC 2．-XX:+UseParNewGC -XX:+UseSerialGC