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JVM原理之垃圾回收算法及垃圾收集器

分类: 文章 • 2024-05-24 08:59:04

6. 垃圾回收算法

6.1 如何确定对象是垃圾

要想进行垃圾回收，必须知道哪些对象是垃圾，那怎么知道呢？

6.1.1 引用计数法

  • 如果一个对象被引用，就说明该对象不是垃圾；如果一个对象没有任何指针对其引用，它就是垃圾。

  • 缺点：互相引用的对象将永远不会被回收。如：对象A中有对象B的引用，B也亦然；

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6.1.2 可达性分析

那什么是可达性分析呢？那些东西可以作为GCRoot呢？

  • 从GCRoot开始，可以连接的对象不会被回收，不能连接到即不可达的对象会被回收。

  • 可以作为GCRoot的对象的有 ：

    • 静态变量所引用的对象

    • 虚拟机栈中本地变量引用对象

    • 常量池中常量，也就是方法区的常量

    • 本地方法栈中变量引用的对象

    • Thread

    • 类加载器

      如下图所示，浅绿色标识对象为不可达对象，会确定为垃圾。

  • 从GCRoot 出发，能链接到的类不会回收，连接不到即不可达的对象会被回收。
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6.2 垃圾回收算法

前面我们了解了是如何确定对象时垃圾的方法，那JVM是如何进行垃圾回收算法的呢？它具体有哪几种垃圾回收算法？

6.2.1 复制回收算法

什么是复制回收算法呢？

  • 将内存分为大小相等的两块，只有其中一方存放数据；如下图所示：
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  • 当存放数据的一方内存空间用完了，将还存活的对象复制到另一方 ，然后把已经使用过的内存清理干净。
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优点：清理效率高；

缺点：会浪费空间，空间利用率低

6.2.2 标记清除算法

什么是标记清除算法？

  • 标记阶段

    找出内存中需要清理的对象，然后进行标记 JVM原理之垃圾回收算法及垃圾收集器

  • 清除阶段

    将标记出来的对象进行清除
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  • 缺点

    • 标记会扫描整个内存空间比较耗时。
    • 有内存碎片（标记清除后会有不连续的内存碎片，空间碎片太多如果后续有大对象需要空间，无法找到连续的内存空间，进而不得不提前触发GC。）

6.2.3 标记清除压缩算法

那什么是标记清除压缩算法（也叫做标记整理算法）呢？

  • 标记阶段

    找出内存中需要清理的对象，然后进行标记
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  • 清除压缩阶段（整理阶段）

    将标记出来的对象进行清除，并将存活的对象向一端移动
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缺点：标记阶段 和 清除压缩阶段比较耗时。

6.2.4 分代收集算法

上面我们了解到了三种垃圾回收算法，那么我们在堆内存中使用哪个呢？

  • Young区：复制回收算法（因为Young区对象生命周期短，效率高）
  • Old区：标记清除或者标记清除压缩（Old区对象生命存活时间长，复制来复制去没必要，不如标记后进行处理）

7.垃圾收集器

前面我们知道了各种垃圾算法，而垃圾收集器是对于垃圾回收算法的实现，那JVM中具体有哪些垃圾收集器呢?
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7.1 Serial收集器

Serial收集器是最基本最悠久的收集器，曾经（JDK1.3）是虚拟机新生代垃圾收集的唯一选择。

它是单线程收集器，只会使用一个CPU或者一条线程去完成垃圾回收，并且在垃圾回收的时候会暂停别的线程

  • 优点：简单高效，有很高的单线程收集效率；
  • 缺点：收集过程中暂停所有线程
  • 使用算法：复制算法
  • 适用区域：年轻代- Young区
  • 使用标准：单CPU，单机程序，内存小
    • -XX:+UseSerialGC
  • 图解Serial垃圾回收器
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7.2 ParNew收集器

相当于Serial收集器的多线程版本

  • 优点：多CPU下，比Serial效率高

  • 缺点：收集过程暂停所有应用程序线程，单CPU时Serial效率比它高

  • 使用算法：复制算法

  • 适用区域：年轻代-Young区

  • 多CPU，希望快速响应，不希望有停顿时间

    • -XX:UseParNewGC 或者-XX:UseParallelGC

  • 图解 ParNew GC
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7.3 Parallel Scavenge 收集器

Parallel Scavenge 收集器与 ParNew 收集器唯一的区别是它更关注系统的吞吐量

吞吐量 = 用户代码运行时间 / (用户代码运行时间 + GC时间)；如虚拟机一共运行了100分钟，GC时间为1分钟，吞吐量 = （100-1）/ 100 = 99% ； 吞吐量越大，意味着GC时间越短，则用户程序就可以充分利用CPU资源，尽快完成运算任务。

  • 使用标准：多CPU，大的吞吐量
    • -XX:+UseParallelGC

7.4 CMS 收集器

官网对于CMS收集器的解释：https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/guides/vm/gctuning/cms.html#concurrent_mode_failure

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。采用的是标记-清除算法，分为四步

  • 1.初始标记，标记从GCRoot能关联的对象 ，stop the world ， 速度很快

  • 2.并发标记，和用户线程一起进行，从GCRoot 往下追踪

  • 3.重新标记， 暂停用户线程，重新标记对象

  • 4.并发清理，用户线程和GC线程一起执行
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  • 优点：并发收集、低停顿

  • 缺点：产生大量的空间碎片、并发阶段会降低吞吐量

  • 启用命令：-XX:+UseConcMarkSweepGC

7.5 SerialOld收集器

SerialOld 收集器是 Serial 收集器在老年代的版本，也是单线程的，采用的算法是 标记-清除-压缩算法 ，运行过程和Serial收集器一样。

  • 图解表示 Serial收集器 与 SerialOld收集器 搭配使用效果
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7.6 Parallel Old 收集器

Parallel Old 收集器 是 Parallel Scavenge收集器的老年代的版本，使用多线程和 标记-清除-压缩算法 进行垃圾回收。依旧是吞吐量优先原则

  • 图解表示 Paraller ScavengeS收集器 与 Parallel Old收集器配合使用图解；
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7.7 G1收集器

G1收集器通过多种技术实现了高性能和暂停时间目标。

执行过程：堆被划分为一组大小相等的堆区域，每个堆区域都有一个连续的虚拟内存范围。它也会进行全局标记，标记完成后，它就会知道哪些区域大部分为空。那么他在收集的时候会优先收集这些区域。G1使用暂停预测模型来满足用户定义的暂停时间（-XX:MaxGCPauseMillis）目标，并根据指定的暂停时间选择要收集的区域数。

G1首要重点是为运行过程中需要大的堆内存并且GC延迟有要求的应用程序提供解决方案，这意味着堆大小约为6 GB或更大，并且稳定且可预测的暂停时间低于0.5秒。

以下情况可切换为G1收集器：

  • 超过50%的堆内存被实时数据占用
  • 对象分配率或提升率差率很大
  • 希望 减少 程序垃圾收集时间或压缩暂停 时间（大于0.5到1秒）

工作过程分为如下几步：

  • 初始标记，标记下GC Roots能够关联的对象，需要暂停用户线程
  • 并发标记，从GC Root进行可达性分析，找出存活对象，与用户线程并发执行
  • 最终标记，修正在并发标记阶段因为用户程序执行而变动的数据，需要暂停用户线程
  • 筛选回收，对各个Region的回收价值和成本进行排序，根据GC停顿时间制定回收计划。
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  • 启用G1: -XX:+UseG1GC ，设置回收停顿时间，-XX:MaxGCPauseMillis=200 ,默认为200毫秒
  • 优点：1.没有内存碎片 ；2.可以控制垃圾回收停顿时间

8 如何选择合适的垃圾收集器

官方地址：https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/guides/vm/gctuning/collectors.html#sthref28

  • 优先调整堆的大小让服务器自己来选择
  • 如果内存小于100M，使用串行收集器-XX:+UseSerialGC
  • 如果响应时间比整体吞吐量更重要，并且垃圾收集暂停时间必须保持小于1秒，可以使用-XX:+UseConcMarkSweepGC 或者 选择 -XX:+UseG1GC

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