Java垃圾回收机制 Java垃圾回收机制

1. 概述在编写Java程序时，一般不用内存管理，不用像C++一样需要在程序中手动释放内存。JVM的垃圾收集器会自动对内存进行释放，不用程序员担心，虽然如此，但是了解一下其内部工作机制是很有必要的。
1.1 GC名词解释

Minor GC: 针对新生代的垃圾回收；
Young GC：针对新生代的垃圾回收，和Minor GC等价；
Old GC：针对老年代的垃圾回收；
Full GC：针对新生代、老年代、永久代的整体内存空间的垃圾回收；
Major GC：这个名词容易混淆，有些人把Major GC跟Old GC等价起来，认为他就是针对老年代的GC，也有人把Major GC和Full GC等价起来，认为他是针对JVM全体内存区域的GC，建议不要使用该名词；
Mixed GC：G1中特有的概念，是指在G1中，一旦老年代占据堆内存的45%，就会触发对新生代和老年代都进行回收的混合回收。

1.2 垃圾回收触发时机
新生代回收
当新生代中的对象越来越多，快撑满了，此时若有新的对象需要创建的话，就会触发垃圾回收。
Full GC

Young GC之前，如果“老年代连续可用内存空间大小<历次新生代Young GC后进入老年代的平均对象大小”，说明此次"Young GC后进入老年代的对象大小" 可能超过 "老年代连续可用内存空间大小",此时会触发一次Old GC让老年代腾出更多的内存空间，然后再执行Young GC；
Young GC之后，发现剩余对象太多，老年代都放不下了；
老年代内存占用达到一定比例，超过-XX:CMSInitiatingOccupancyFaction。（CMS）
存放类信息、常量池的永久代满了.

1.3 回收哪些对象
JVM在进行垃圾回收的时候，到底会回收哪些对象呢？如果一个对象的引用链路上没有一个GC Roots，那么该对象就是垃圾对象，在垃圾回收的时候就会被回收。
可以作为GC Roots的对象有：

方法的局部变量；
类的静态变量；

例如，以下程序：

public void call() { User user = new User(); .... }

当程序执行到call方法时，会在当前线程的Java虚拟机栈中，为call方法创建一个栈帧。局部变量表中user变量引用着堆空间的User对象。假如在call方法的栈帧还未出栈时发生了GC，此时User对象被局部变量user引用着，所以User对象不会被回收掉。
也就是说，只要你的对象被方法的局部变量、类的静态变量给强引用了，就不会被回收。这里为什么是强应用呢？我们知道，在Java中引用类型有4种：强、软、弱、虚。
正常情况下，垃圾回收是不会回收软引用对象的，但是如果在垃圾回收之后，发现内存仍然不足，此时就会把这些软引用对象给回收掉，哪怕它被变量引用着。
弱引用和虚引用只要发生垃圾回收就会被回收掉。
1.4 Stop The World
Stop The World指的是在垃圾回收的时候，应用程序需要暂停一会等待垃圾回收完毕。也就是说，垃圾回收会暂停我们写的Java系统中所有的工作线程，让我们的程序停止运行。
之所以需要Stop The World是因为不能JVM在进行回收垃圾，应用系统却在生产垃圾（系统运行就会创建对象，创建出来的对象可能在垃圾回收期间成为新的垃圾）。
垃圾回收停顿的时间越少越好，垃圾回收器在不断升级过程中，都在朝着降低Stop The World持续的时间努力。不过目前而言，再好的垃圾回收器也只是更加降低Stop The World的时间，而没法避免。
2. 垃圾回收算法 JVM中垃圾回收算法有以下几种：

引用计数法；
复制算法；
标记清除；
标记整理。

引用计数法是看当前对象有多少引用，有一个引用相应的应用计数就加1，当引用计数为0时，表示没有任何引用，即可以被垃圾回收。不过在实际应用中，一般很少采用引用计数法来进行垃圾回收。
复制算法就是把相应的内存区域划分成两块，一块使用一块空闲，当发生垃圾回收时，将在使用中的存活对象复制到未被使用的区域。

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复制算法标记清除算法会先标记出是存活对象还是垃圾对象，标记完之后，再将标记为垃圾的对象进行清理，此种方式容易形成内存碎片。

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标记清除 标记整理算法也和标记清除一样，先对存活对象/垃圾对象进行标记。标记完成之后再进行清理，针对清理过程中形成的内存碎片，标记整理算法会将多个小块的内存碎片整理成一块整的内存区域。

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标记整理 3. 垃圾回收的方式 JVM进行垃圾回收的时候，会起一个守护线程，专门用于垃圾回收。根据垃圾回收线程和应用线程运行的时机，可将垃圾回收方式按以下方式划分：

串行（Serial）回收：只使用一个线程进行垃圾回收，用于单线程的客户端。
并行（Parallel）回收：多个垃圾回收线程并行工作，常用于科学计算、大数据处理等和用户交互少的场景。
并发（CMS）回收：用户线程和垃圾回收线程可以同时执行，适用于对垃圾回收停顿时间有要求的场景。
G1：将堆内存分割成不同的区域然后并发的对其进行垃圾回收。

4. 老年代垃圾回收对象进入老年代的时机我们创建的对象会优先放入新生代中。那在什么情况下，对象会进入老年代？对象存在以下进入老年代的时机：

在新生代躲过15次GC；
动态年龄判断；
大对象直接进入老年代；
YoungGC后存活对象太多，无法放入Survivor；
老年代空间分配担保规则

老年代的垃圾回收速度会比新生代垃圾回收速度慢10倍，如果频繁出现老年代的垃圾回收，会影响到系统的性能，同时系统会出现卡顿现象。那为啥老年代垃圾回收会慢呢？主要是由于以下几种原因：

老年代存活的对象很对，所以追踪到GC Roots的链路就长了；
清理的时候并不是对一整块内存进行清理，而是先找到零零散散的垃圾对象再进行清理；
清理完垃圾对象之后还会对内存碎片进行整理。

5. 具体的垃圾回收器 Hotspot中的具体的垃圾回收产品有7中，它们分别是：

Serial，串行方式，用于新生代，采用复制算法。
ParNew，并行回收，用于新生代，采用复制算法。
Parallel Scavenge，并行回收，用于新生代，采用复制算法。
Serial Old，串行回收，用于老年代，采用标记-整理算法。
Parallel Old，并行回收，用于老年代，采用标记-整理算法。
CMS，并发回收，用于老年代，采用标记-清除算法。
G1，应用于新生代和老年代，整体上采用标记-整理算法，ju

其中Serial、ParNew、Parallel Scavenge适用于新生代，Serial Old、Parallel Old、CMS适用于老年代。

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图中的连线表示，新生代使用的垃圾回收器和老年代使用的垃圾回收器是相互关联的，可以在JVM参数中只显式配置其中一个。例如，新生代配置使用Serial垃圾回收器，老年代就会自动使用Serial Old垃圾回收器。
其中红色叉叉表示Java8版本开始，对应的垃圾回收组合不推荐使用。
5.1 Serial/Serial Old收集器 Serial和Serial Old收集器都是串行收集器，只会使用一个线程进行垃圾回收，垃圾回收的时会停止应用线程进行Stop The World状态。
其中Serial采用复制算法，Serial Old采用标记-整理算法。

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对应的JVM参数是：-XX:+UseSerialGC。启用此参数之后，新生代使用Serial，老年代使用Serial Old。
5.2 ParNew ParNew收集器是Serial收集器的多线程版本，它是很多虚拟机运行在Server模式下新生代的默认垃圾收集器。其主要场景是配合老年代的CMS GC工作。

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启用ParNew收集器所对应的JVM参数：-XX:+UseParNewGC。如果不指定老年代的GC收集器，老年代默认会启用Serial Old。
限制GC回收线程数量：-XX:ParallelGCThreads，默认开启和CPU相同的线程数。
5.3 Parallel

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Parallel（Parallel Scavenge）和ParNew都是新生代的多线程并行收集器，它们各自的关注点不同，Parallel主要关注：

可控制的吞吐量：吞吐量Thoughput=运行用户代码时间/(运行用户代码时间+垃圾收集时间)
自适应调节策略：虚拟机会根据当前系统的运行情况收集性能监控信息，动态调整参数以提供最合适的停顿时间或最大的吞吐量。

使用一下参数启用Parallel垃圾收集器

-XX:+UseParallelGC或者使用 -XX:+UseParallelOldGC 相互激活

-XX:ParallelGCThreads=数字N表示启动GC线程的个数。
5.4 Parallel Old Parallel Old收集器是Parallel收集器的老年代版本，使用多线程的标记-整理算法。
5.5 CMS CMS是一种以获得最短GC停顿为目标的采用并发标记清除的垃圾收集器，它尽量允许在GC的时候，用户线程可以并发执行。

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为了避免长时间的STW，CMS将垃圾回收分成4个阶段：

初始标记：只标记GC Roots直接关联的对象，速度非常快，需要STW；
并发标记：对所有对象进行到GC Roots的追踪，比较耗时，和用户线程一起运行，不需要STW；
重新标记：针对并发标记阶段，用户线程产生的新变化进行重写标记，需要STW；
并发清除：对垃圾对象进行清除，和用户线程一起运行，不需要STW。

CMS非常适合堆内存大、CPU核数多的服务端应用上，也是G1出现之前，大型应用老年代的首选收集器。
开启该收集器的JVM参数：-XX:+UseConcMarkSweepGC，开启该参数后会自动将-XX:+UseParNewGC打开。
CMS回收器在并发标记和并发清理两个阶段，系统工作线程和垃圾回收线程同时工作，会导致有限的CPU资源被消耗。CMS默认启动的垃圾回收线程的数量是（CPU核数 + 3）/ 4。
5.5.1 Concurrent Mode Failure 并发清理阶段，由于工作线程不停止工作，所以可能会发生：新的对象进行老年代以及产生新的垃圾对象（这种称为“浮动垃圾”）。
浮动垃圾在本次垃圾回收并没有被标记出来，所以会一直等到下次GC的时候再对其进行回收。
在并发清理期间，新对象进入老年代，可能会存在老年代空间不够，此时该如何处理？CMS会预留一定比例的空间以供并发清理期间新对象进入老年代。这个比例可以通过-XX:CMSInitiatingOccupancyFaction(jdk6中默认为92%)进行设置，当老年代已使用的空间超过这个比例时会触发一次Old GC。
如果预留的空间还是不够容纳并发清理期间进入老年代对象，此时会发生Concurrent Mode Failure。系统没法再一边回收，一边将对象放入老年代。此时会自动启用Serial Old垃圾回收器代替CMS，直接让系统程序Stop The World，重新标记垃圾对象，并不允许创建新的对象，然后再一次性回收垃圾对象。
5.5.2 内存整理 CMS采用“标记-清理”算法，所以会产生内存碎片问题，太多的内存碎片容易导致更加频繁的Full gc。所以CMS提供了-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection参数用来设置是否在并发清理之后，是否要对内存碎片进行一个压缩，即将存活对象都挪到一起。
除此之外，还有一个类似的参数-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction表示在进行多少次FullGC之后进行一次内存碎片的压缩，其默认是0。
5.6 G1 G1是JDK1.7引入的，可以使用-XX:+UseG1GC开启。
5.6.1 Region
G1区别于上面几个垃圾收集器，上面几个垃圾收集器必须按照新生代和老年代进行划分，且只能对新生代或者老年代其中一块区域进行回收。而G1是将整个堆内存划分成一块块的Region，其既能回收新生代又能回收老年代的对象。如下图所示：

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图中可以看到G1还是会有新生代(Eden和Surivor)和老年代的这些概念，新生代包含哪些Region，老年代包含哪些Region。只不过这个过程是自动变化的，对某个region来说，可能一开始谁都不属于，然后被分配给了新生代，然后垃圾回收之后，又被分配给了老年代。故此G1中不存在新生代给多少内存、老年代给多少内存的说法。
G1中，大对象存在专门的Region，大对象的判定规则是一个大对象超过了一个Region大小的50%，就认为是个大对象。
默认情况下，G1中有2048个Region，Region的size=堆的大小 / 2048。
5.6.2 回收价值
G1收集器既可以提高吞吐量，又可以减少GC时间。最重要的是STW可控，增加了预测机制，让用户指定停顿时间。可以通过-XX:MaxGCPauseMills参数进行设置，默认值是200ms。
那么G1是有何尽量保证在垃圾回收期间，停顿用户指定的时间？G1会追踪每个Region的回收价值，回收价值指的是如果对某个Region进行垃圾回收，需要耗费多长时间，可以回收多少垃圾。在垃圾回收过程中，G1会尽量把垃圾回收对系统的影响范围控制在用户指定的时间范围内，同时在有限的时间内回收掉更多的垃圾对象。
例如，如果存在Region1和Region2，region1回收的话，需要花费100ms，能回收300M垃圾；region2回收需要200ms，能够回收100M垃圾。这种情况的话G1会优先选择回收region1。
5.6.3 G1的新生代回收
随着新生代的Eden占用的Region越来越多，直到新生代达到了设定的占据堆内存的60%，此时会触发新生代的GC，G1就会进入Stop The World状态，并采用复制算法来进行垃圾回收。回收过程和ParNew一样：把Eden区存活的对象放入S1，然后清空Eden区，再次回收的时候，将Eden区和S1区的存活对象放入S2，清空Eden区和S1区，如此反复。
5.6.4 G1对象进行老年代的时机
G1收集器中的对象进入老年代的时机和其他收集器几乎是一样的：

对象在新生代躲过了很多次的垃圾回收，达到了-XX:MaxTenuringThreshold参数设置的年龄，对象就会进入老年代；
动态年龄判定规则如果一旦发现某次新生代GC过后，存活对象超过了Survivor的50%。此时就会判断一下，例如年龄为1岁，2岁，3岁的对象的大小总和超过了Survivor的50%，此时3岁以上的对象全部会进入老年代；
存活对象在Survivor放不下了，对象会直接进入老年代。

5.6.5 G1的老年代回收
当老年代对应Region的大小占据了堆内存一定比例（默认为45%，可以通过-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent来变更）时，会触发一次混合回收，混合回收会对新生代和老年代一起进行垃圾回收。
G1的混合回收过程和CMS很类似，标记阶段分为：初始标记、并发标记和重新标记，这3个标记过程所做的事和CMS都一样。不一样的是最后一个混合回收阶段，它会对新生代、老年代和大对象的Region中的对象进行清理，并且它所采用的是复制算法。
此外，混合回收阶段是允许执行多次的。比如先停止工作，执行一次混合回收回收掉一些Region，接着恢复系统运行，然后再次停止系统运行，再执行一次混合回收回收掉一些Region。我们可以通过-XX:G1MixedGCCountTarget设置执行次数，默认是8次。
如果在进行Mixed回收的时候，无论是年轻代还是老年代都基于复制算法进行回收，都要把各个Region的存活对象拷贝到别的Region里去
此时万一出现拷贝的过程中发现没有空闲Region可以承载自己的存活对象了，就会触发一次失败。
一旦失败，立马就会切换为停止系统程序，然后采用单线程进行标记、清理和压缩整理，空闲出来一批Region，这个过程是极慢极慢的。
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