关于垃圾回收你真的了解透彻了吗?我熬夜深度剖析了一下
last?=?0for(i=0;i<mems.length;i++){if(mems[i]?!=?null){mems[last++]?=?mems[i]changeReference(mems[last])}}clear(mems,last,mems.length)
但是需要注意,这只是一个理想状态。对象的引用关系一般都是非常复杂的,我们这里不对具体的算法进行描述。你只需要了解,从效率上来说,一般整理算法是要低于复制算法的。
分代
我们简要介绍了一些常见的内存回收算法,目前,JVM 的垃圾回收器,都是对几种朴素算法的发扬光大。简单看一下它们的特点:
复制算法(Copy)
复制算法是所有算法里面效率最高的,缺点是会造成一定的空间浪费。
标记-清除(Mark-Sweep)
效率一般,缺点是会造成内存碎片问题。
标记-整理(Mark-Compact)
效率比前两者要差,但没有空间浪费,也消除了内存碎片问题。
所以,没有最优的算法,只有最合适的算法。
JVM 是计算节点,而不是存储节点。最理想的情况,就是对象在用完之后,它的生命周期立马就结束了。而那些被频繁访问的资源,我们希望它能够常驻在内存里。
研究表明,大部分对象,可以分为两类:
大部分对象的生命周期都很短;
其他对象则很可能会存活很长时间。
大部分死的快,其他的活的长。这个假设我们称之为弱代假设(weak generational hypothesis)。
接下来划重点。
从图中可以看到,大部分对象是朝生夕灭的,其他的则活的很久。
现在的垃圾回收器,都会在物理上或者逻辑上,把这两类对象进行区分。我们把死的快的对象所占的区域,叫作年轻代(Young generation)。把其他活的长的对象所占的区域,叫作老年代(Old generation)。
老年代在有些地方也会叫作 Tenured Generation,你在看到时明白它的意思就可以了。
年轻代
年轻代使用的垃圾回收算法是复制算法。因为年轻代发生 GC 后,只会有非常少的对象存活,复制这部分对象是非常高效的。
我们前面也了解到复制算法会造成一定的空间浪费,所以年轻代中间也会分很多区域。
如图所示,年轻代分为:一个伊甸园空间(Eden ),两个幸存者空间(Survivor )。
当年轻代中的 Eden 区分配满的时候,就会触发年轻代的 GC(Minor GC)。具体过程如下:
在 Eden 区执行了第一次 GC 之后,存活的对象会被移动到其中一个 Survivor 分区(以下简称 from);
Eden 区再次 GC,这时会采用复制算法,将 Eden 和 from 区一起清理。存活的对象会被复制到 to 区;接下来,只需要清空 from 区就可以了。
所以在这个过程中,总会有一个 Survivor 分区是空置的。Eden、from、to 的默认比例是 8:1:1,所以只会造成 10% 的空间浪费。
这个比例,是由参数 -XX:SurvivorRatio 进行配置的(默认为 8)。
一般情况下,我们只需要了解到这一层面就 OK 了。但是在平常的面试中,还有一个点会经常提到,虽然频率不太高,它就是 TLAB,我们在这里也简单介绍一下。
TLAB 的全称是 Thread Local Allocation Buffer,JVM 默认给每个线程开辟一个 buffer 区域,用来加速对象分配。这个 buffer 就放在 Eden 区中。
这个道理和 Java 语言中的 ThreadLocal 类似,避免了对公共区的操作,以及一些锁竞争。
对象的分配优先在 TLAB 上 分配,但 TLAB 通常都很小,所以对象相对比较大的时候,会在 Eden 区的共享区域进行分配。
TLAB 是一种优化技术,类似的优化还有对象的栈上分配(这可以引出逃逸分析的话题,默认开启)。这属于非常细节的优化,不做过多介绍,但偶尔面试也会被
问到。
老年代
老年代一般使用“标记-清除”、“标记-整理”算法,因为老年代的对象存活率一般是比较高的,空间又比较大,拷贝起来并不划算,还不如采取就地收集的方式。
那么,对象是怎么进入老年代的呢?有多种途径。
(1)提升(Promotion)
如果对象够老,会通过“提升”进入老年代。
关于对象老不老,是通过它的年龄(age)来判断的。每当发生一次 Minor GC,存活下来的对象年龄都会加 1。直到达到一定的阈值,就会把这些“老顽固”给提升到老年代。
这些对象如果变得不可达,直到老年代发生 GC 的时候,才会被清理掉。
这个阈值,可以通过参数 ‐XX:+MaxTenuringThreshold 进行配置,最大值是 15,因为它是用 4bit 存储的(所以网络上那些要把这个值调的很大的文章,是没有什么根据的)。
(2)分配担保
看一下年轻代的图,每次存活的对象,都会放入其中一个幸存区,这个区域默认的比例是 10%。但是我们无法保证每次存活的对象都小于 10%,当 Survivor 空间不够,就需要依赖其他内存(指老年代)进行分配担保。这个时候,对象也会直接在老年代上分配。
(3)大对象直接在老年代分配
超出某个大小的对象将直接在老年代分配。这个值是通过参数?-XX:PretenureSizeThreshold 进行配置的。默认为 0,意思是全部首选 Eden 区进行分配。
(4)动态对象年龄判定
有的垃圾回收算法,并不要求 age 必须达到 15 才能晋升到老年代,它会使用一些动态的计算方法。比如,如果幸存区中相同年龄对象大小的和,大于幸存区的一半,大于或等于 age 的对象将会直接进入老年代。
这些动态判定一般不受外部控制,我们知道有这么回事就可以了。通过下图可以看一下一个对象的分配逻辑。
卡片标记(card marking)
你可以看到,对象的引用关系是一个巨大的网状。有的对象可能在 Eden 区,有的可能在老年代,那么这种跨代的引用是如何处理的呢?由于 Minor GC 是单独发生的,如果一个老年代的对象引用了它,如何确保能够让年轻代的对象存活呢?
对于是、否的判断,我们通常都会用 Bitmap(位图)和布隆过滤器来加快搜索的速度。如果你不知道这个概念就需要课后补补课了。
JVM 也是用了类似的方法。其实,老年代是被分成众多的卡页(card page)的(一般数量是 2 的次幂)。
卡表(Card Table)就是用于标记卡页状态的一个集合,每个卡表项对应一个卡页。
如果年轻代有对象分配,而且老年代有对象指向这个新对象, 那么这个老年代对象所对应内存的卡页,就会标识为 dirty,卡表只需要非常小的存储空间就可以保留这些状态。
垃圾回收时,就可以先读这个卡表,进行快速判断。
HotSpot 垃圾回收器
接下来介绍 HotSpot 的几个垃圾回收器,每种回收器都有各自的特点。我们在平常的 GC 优化时,一定要搞清楚现在用的是哪种垃圾回收器。
在此之前,我们把上面的分代垃圾回收整理成一张大图,在介绍下面的收集器时,你可以对应一下它们的位置。
年轻代垃圾回收器
(1)Serial 垃圾收集器
处理 GC 的只有一条线程,并且在垃圾回收的过程中暂停一切用户线程。
这可以说是最简单的垃圾回收器,但千万别以为它没有用武之地。因为简单,所以高效,它通常用在客户端应用上。因为客户端应用不会频繁创建很多对象,用户也不会感觉出明显的卡顿。相反,它使用的资源更少,也更轻量级。
(2)ParNew 垃圾收集器
ParNew 是 Serial 的多线程版本。由多条 GC 线程并行地进行垃圾清理。清理过程依然要停止用户线程。
ParNew 追求“低停顿时间”,与 Serial 唯一区别就是使用了多线程进行垃圾收集,在多 CPU 环境下性能比 Serial 会有一定程度的提升;但线程切换需要额外的开销,因此在单 CPU 环境中表现不如 Serial。
(3)Parallel Scavenge 垃圾收集器
另一个多线程版本的垃圾回收器。它与 ParNew 的主要区别是:
Parallel Scavenge:追求 CPU 吞吐量,能够在较短时间内完成指定任务,适合没有交互的后台计算。弱交互强计算。
ParNew:追求降低用户停顿时间,适合交互式应用。强交互弱计算。
老年代垃圾收集器
(1)Serial Old 垃圾收集器
与年轻代的 Serial 垃圾收集器对应,都是单线程版本,同样适合客户端使用。
年轻代的 Serial,使用复制算法。
老年代的 Old Serial,使用标记-整理算法。
(2)Parallel Old
Parallel Old 收集器是 Parallel Scavenge 的老年代版本,追求 CPU 吞吐量。
(3)CMS 垃圾收集器
CMS(Concurrent Mark Sweep)收集器是以获取最短 GC 停顿时间为目标的收集器,它在垃圾收集时使得用户线程和 GC 线程能够并发执行,因此在垃圾收集过程中用户也不会感到明显的卡顿。我们会在后面的课时详细介绍它。
长期来看,CMS 垃圾回收器,是要被 G1 等垃圾回收器替换掉的。在 Java8 之后,使用它将会抛出一个警告。
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM warning: Option UseConcMarkSweepGC was deprecated in version 9.0 and will likely be removed in a future release.
配置参数
除了上面几个垃圾回收器,我们还有 G1、ZGC 等更加高级的垃圾回收器,它们都有专门的配置参数来使其生效。
通过 -XX:+PrintCommandLineFlags 参数,可以查看当前 Java 版本默认使用的垃圾回收器。你可以看下我的系统中 Java13 默认的收集器就是 G1。
java -XX:+PrintCommandLineFlags -version
-XX:G1ConcRefinementThreads=4 -XX:GCDrainStackTargetSize=64 -XX:InitialHeapSize=134217728 -XX:MaxHeapSize=2147483648 -XX:MinHeapSize=6815736 -XX:+PrintCommandLineFlags -XX:ReservedCodeCacheSize=251658240 -XX:+SegmentedCodeCache -XX:+UseCompressedClassPointers -XX:+UseCompressedOops -XX:+UseG1GC
java version "13.0.1" 2019-10-15
Java(TM) SE Runtime Environment (build 13.0.1+9)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 13.0.1+9, mixed mode, sharing)
以下是一些配置参数:
-XX:+UseSerialGC 年轻代和老年代都用串行收集器
-XX:+UseParNewGC 年轻代使用 ParNew,老年代使用 Serial Old
-XX:+UseParallelGC 年轻代使用 ParallerGC,老年代使用 Serial Old
-XX:+UseParallelOldGC 新生代和老年代都使用并行收集器
-XX:+UseConcMarkSweepGC,表示年轻代使用 ParNew,老年代的用 CMS
-XX:+UseG1GC 使用 G1 垃圾回收器
-XX:+UseZGC 使用 ZGC 垃圾回收器
为了让你有个更好的印象,请看下图。它们的关系还是比较复杂的。尤其注意 -XX:+UseParNewGC 这个参数,已经在 Java9 中就被抛弃了。很多程序(比如 ES)会报这个错误,不要感到奇怪。
有这么多垃圾回收器和参数,那我们到底用什么?在什么地方优化呢?
目前,虽然 Java 的版本比较高,但是使用最多的还是 Java8。从 Java8 升级到高版本的 Java 体系,是有一定成本的,所以 CMS 垃圾回收器还会持续一段时间。
线上使用最多的垃圾回收器,就有 CMS 和 G1,以及 Java8 默认的 Parallel Scavenge。
CMS 的设置参数:-XX:+UseConcMarkSweepGC。
Java8 的默认参数:-XX:+UseParallelGC。
Java13 的默认参数:-XX:+UseG1GC。
我们的实战练习的课时中,就集中会使用这几个参数。
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