Java虛擬機的JVM垃圾回收機制

1.JVM內存空間

 

JVM堆（Heap）= 新生代（Young） + 舊生代（Tenured）

 分區作用：

新創建的對象通常先將其分配在新生代中，在新生代中經過若干次GC之後仍未釋放的對象，再將它移動到舊生代。爲了讓內存回收更高效（GC會暫停JVM中的應用），Sun JDK在1.2開始對堆採用了分代管理的方式。在分配對象遇到內存不足時，先對新生代進行GC（Young GC）；當新生代GC之後仍無法滿足內存空間分配需求時， 纔會對整個堆空間以及方法區進行GC （Full GC）

 相關參數：

-Xms -- 設置堆內存初始大小

-Xmx -- 設置堆內存最大值

-XX:MaxTenuringThreshold -- 設置對象在新生代中存活的次數

-XX:PretenureSizeThreshold -- 設置超過指定大小的大對象直接分配在舊生代中

 注意點：當新生代設置得太小時，也可能引發大對象直接分配到舊生代中。

 

新生代（Young）= Eden區 + Survivor區

 分區作用：

Eden區爲對象通常最初分配到的地方，Survivor區分爲S0和S1兩塊大小相等的區域。JVM進行Minor GC時，將Eden中還存活的對象拷貝到Survivor區中，還會將Survivor區中還存活的對象拷貝到Tenured區中。在這種GC模式下，JVM爲了提升GC效率， 將Survivor區分爲S0和S1，這樣就可以將對象回收和對象晉升分離開來。

 相關參數：

-Xmn -- 設置新生代內存大小。

-XX:SurvivorRatio -- 設置Eden與Survivor空間的大小比例

 注意點： 圖中Virtual部分表示可伸縮的內存空間，當用-Xms在指定堆的初始大小爲128m，通過-Xmx指定堆最大爲256m時，JVM會根據內存情況在128m與256m之間伸縮。爲了避免JVM進行這些伸縮消耗性能，對於能夠提供穩定內存空間的用作服務器的JVM，通常將-Xms和-Xmx設置爲相等。

方法區（Perm）

 分區作用：

也被成爲持久代，用來存放JVM加載的類型信息。包括: 類型基本信息，常量池，字段信息，方法信息，類變量，指向ClassLoader的引用，Class類的引用，方法表等。方法區是全局共享的，在一定條件下也會被GC。

 相關參數：

-XX:PermSize --設置Perm區的初始大小

-XX:MaxPermSize --設置Perm區的最大值

 

JVM方法棧（注意：不是分區）

 作用：

JVM方法棧爲JVM線程私有內存，當方法運行完畢後，其對應的棧幀內存會自動釋放

 相關參數：

-Xss --設置方法棧的最大值

 TLAB：

JVM所佔用的主要內存都是從堆空間分配的，堆是所有線程共享的，因此在堆上分配內存需要加鎖，Sun JDK爲提升效率，會爲每個新建的線程在Eden上分配一塊獨立的空間由該線程獨享，這塊空間稱爲TLAB（Thread Local Allocation Buffer）。其大小由JVM根據運行情況計算得到，也可通過參數-XX:TLABWasteTargetPercent來設置TLAB可佔用的Eden空間的百分比，默認值爲1%。在TLAB上分配內存不需要加鎖，因此JVM在給線程中的對象分配內存時會盡量在TLAB上分配。如果對象過大或TLAB用完，則仍然在堆上進行分配。

2.Sun JDK GC收集器

收集器主要分爲引用計數器和跟蹤收集器兩種，Sun JDK中採用跟蹤收集器作爲GC實現策略。

跟蹤收集器簡介

跟蹤收集器採用集中式的管理方式，全局記錄數據的引用狀態。觸發執行時需要從根節點來掃描對象的引用關係，可能會造成應用程序暫停。主要有三種實現算法：複製（Copying） 、 標記-清除（Mark-Sweep） 、 標記-壓縮（Mark-Compact） 。下文將簡單介紹這三種算法的過程，有助於後續的GC策略理解和分析。

複製（Copying）

 算法：複製採用的方式爲從根集合掃描出存活的對象，並將找到的存活對象複製到一塊新的完全未使用的空間中。

 過程：注意，紅叉爲不存活的對象所佔用內存空間

標記-清除（Mark-Sweep）

 算法：標記-清除採用的方式爲從根集合開始掃描，對存活的對象進行標記，標記完畢後，再掃描整個空間中未標記的對象，並進行回收。

 過程：

<!--[if !supportLists]-->ü <!--[endif]-->優缺點：在空間中存活對象較多的情況下較爲高效，但由於該算法爲直接回收不存活對象所佔用的內存，因此會造成內存碎片。

 

標記-壓縮（Mark-Compact）

<!--[if !supportLists]-->ü <!--[endif]-->算法：標記階段與“標記-清除”算法相同，但在清除階段有所不同。在回收不存活對象所佔用的內存空間後，會將其他所有存活對象都往左端空閒的空間進行移動，並更新引用其對象指針。

<!--[if !supportLists]-->ü <!--[endif]-->過程：

 

<!--[if !supportLists]-->ü <!--[endif]-->優缺點：在“標記-清除”的基礎上還需要進行對象移動，成本相對較高，好處則是不產生內存碎片。

 

 

3. Sun JDK GC策略

 

圖4 Sun JDK中可用的GC方式

 

基於上一小節講解的跟蹤收集器算法，Sun JDK在新生代和老生代進行了不同的算法實現，形成了上圖中的GC方式分佈。本小節將具體介紹新生代和老生帶的GC策略及組合方式。

 

新生代 – 串行GC（Serial Copying）

 算法：複製（Copy）

 過程：

 1. 掃描出新生代中存活的對象；

 2. Minor GC將存活的對象複製到做爲To Space的S0/S1區；

 3. 之前做爲To Space/From Spache的S0/S1區對換角色；

 4. 經歷過幾次Minor GC仍然存活的對象，放入老生代。

新生代 – 並行回收GC（Parallel Scavenge）

 算法：複製（Copy）

 過程：在掃描和複製時均採用多線程方式進行（如下圖），並且並行回收GC爲大的新生代回收做了很多優化（可以自行擴展閱讀相關資料）。

 優勢：在多CPU的機器上其GC耗時會比串行方式短，適合多CPU、對暫停時間要求較短的應用。

 配置方式：本身是Server級別多CPU機器上的默認GC方式，也可以通過-XX:+UseParallelGC來指定，並且可以採用-XX:ParallelGCThread來指定線程數。

新生代 – 並行GC（ParNew）

 算法：複製（Copy）

 過程：與並行回收GC（Parallel Scavenge）的區別在於並行GC（ParNew）必須配合老生代使用CMS GC。原因是CMS GC在進行老生代GC時，有些過程是併發執行的。如果此時發生了Minor GC，需要進行相應處理，而並行回收GC（Parallel Scavenge）是沒有做這些處理的。也正是如此，ParNew GC不可與並行的老生代GC同時使用。

 配置方式：在配置爲CMS GC的情況下，新生代默認使用並行GC（ParNew）方式，也可以通過-XX:+UseParNewGC來指定。

老生代 – 串行GC（Serial MSC）

 算法：Mark-Sweep-Compact，該算法結合Mark-Sweep和Mark-Compact做了一些改進。

 過程：

 1. 掃描出老生代中存活的對象，進行標識；

 2. 遍歷整個老生代和持久代內存空間，找出未被標識的對象，並回收其內存；

 3. 進行滑動壓縮（Sliding Compaction），將存活對象向老生代空間的開始處滑動，最終留出一塊連續的到結尾的內存空間。

 優缺點：串行執行的過程中爲單線程，需要暫停應用並耗時較長。

 配置方式：是client模式默認採用的GC方式，也可以通過-XX:UseSerialGC進行指定。

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

 算法：Mark -Compact

 過程：

 1. 將老生代劃分爲並行線程個數的區域（regions）；

 2. 並行進行存活對象掃描和標記；

 3. 單線程對各區域進行掃描，標記需要壓縮移動的區域；

 4. 並行進行對象移動和區域不存活對象的回收。

 優缺點：多線程同時操作以及dense prefix優化，會縮短應用暫停時間。但由於老生代較大，在掃描和標識對象上需要花費較長時間。

 配置方式：通過-XX:+UseParallelGC來指定使用Parallel Mark Sweep；通過-XX:UseParallelOldGC來指定使用Parallel Compacting。

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

 算法：Mark –Sweep

 過程：

 1. 第一次標記（Initial Marking）：暫停整個應用，掃描從根集合點到老生代中可直接訪問到的對象，並進行標記；

 2. 併發標記（Concurrent Marking）：恢復所有應用的線程，同時開始併發對之前標記過的對象進行輪循，以標記這些對象可訪問的對象；

 3. 重新標記（Remark）：暫停整個應用，掃描在第二步中被改變引用關係或新創建的對象，並進行標記；

 4. 併發收集（Concurrent Sweeping）：恢復所有應用的線程，將沒有標記的對象進行單線程回收。針對內存碎片，CMS會盡量將相鄰的塊重新組裝成一個塊。

 

 優缺點：如上圖，優點是只有在第一次標記和重新標記階段需要暫停整個應用，所以能夠做到影響應用響應時間很短。缺點是併發標記和併發收集階段CMS會與應用線程爭用CPU資源（用增量CMS模式可以緩解），並且容易產生內存碎片，free-list機制會導致Minor GC效率下降。

 配置方法：通過-XX:UseConcMarkSweepGC來啓動老生代CMS GC；通過-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection來啓動內存碎片整理功能（整理也會暫停應用）。

 

4.Sun JDK GC默認策略及組合策略

<!--[if !supportLists]-->ü   <!--[endif]-->Clinet、Server模式默認GC策略

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

 

 

<!--[if !supportLists]-->ü   <!--[endif]-->Sun JDK GC組合方式

	新生代GC	舊生代和持久代GC
-XX:+UseSerialGC	串行GC	串行GC
-XX:+UseParallelGC	並行回收GC	Parallel Mark Sweep GC
-XX:+UseConcMarkSweepGC	並行GC	併發GC 當出現Concurrent Mode Failure時採用串行GC
-XX:+UseParNewGC	並行GC	串行GC
-XX:+UseParallelOldGC	並行回收GC	Parallel Mark Conpact
-XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:-UseParNewGC	串行GC	併發GC 當出現Concurrent Mode Failure或Promotion Failed時採用串行GC
不支持的組合方式	1．-XX:+UseParNewGC -XX:+UseParallelOldGC 2．-XX:+UseParNewGC -XX:+UseSerialGC