JVM 垃圾回收原理

请简述 JVM 垃圾回收原理



JVM的内存结构包括五大区域：程序计数器、java虚拟机栈、本地方法栈、堆区、方法区。

其中程序计数器、java虚拟机栈、本地方法栈3个区域随线程而生、随线而灭，因此这几个区域的内存分配和回收都具备确定性，就不需要过多考虑回收的问题，因为方法结束或者线程结束时，内存自然就跟随着回收了。而Java堆区和方法区则不一样，这部分内存的分配和回收是动态的，正是垃圾收集器所需关注的部分。垃圾收集器需要考虑以下几个方面：



1. 如何识别需要哪些回收的对象

共有2种方法，引用计数法和可达性分析

• 引用计数法

所谓引用计数法就是给每一个对象设置一个引用计数器，每当有一个地方引用这个对象时，就将计数器加一，引用失效时，计数器就减一。当一个对象的引用计数器为零时，说明此对象没有被引用，也就是“死对象”,将会被垃圾回收.

引用计数法有一个缺陷就是无法解决循环引用问题，也就是说当对象A引用对象B，对象B又引用者对象A，那么此时A,B对象的引用计数器都不为零，也就造成无法完成垃圾回收，所以主流的虚拟机都没有采用这种算法。

• 可达性分析

通过GC ROOT的对象作为搜索起始点，通过引用向下搜索，所走过的路径称为引用链。通过对象是否有到达引用链的路径来判断对象是否可被回收（可作为GC ROOT的对象：虚拟机栈中引用的对象，方法区中类静态属性引用的对象，方法区中常量引用的对象，本地方法栈中JNI引用的对象）

通过可达性算法，成功解决了引用计数所无法解决的循环依赖问题，只要你无法与GC ROOT建立直接或间接的连接，系统就会判定你为可回收对象。那这样就引申出了另一个问题，哪些属于GC ROOT。

Java内存区域中可以作为GC ROOT的对象：

• 虚拟机栈中引用的对象

• 方法区中类静态属性引用的对象

• 方法区中常量引用的对象

• 本地方法栈中引用的对象



1. 常用的垃圾收集算法

在确定了哪些垃圾可以被回收后，垃圾收集器要做的事情就是开始进行垃圾回收，但是这里面涉及到一个问题是：如何高效地进行垃圾回收。这里我们讨论几种常见的垃圾收集算法的核心思想。

回收主要有4种方法：

清理:将垃圾对象占据的内存清理掉，其实JVM并不会真的将这些垃圾内存进行清理，而是将这些垃圾对象占用的内存空间标记为空闲，记录在一个空闲列表里，当应用程序需要创建新对象的时候，就从空闲列表中找一段空闲内存分配给这个新对象。

压缩:从堆空间的头部开始，将存活的对象拷贝放在一段连续的内存空间中，那么其余的空间就是连续的空闲空间。

复制:将堆空间分成两部分，只在其中一部分创建对象，当这个部分空间用完的时候，将标记过的可用对象复制到另一个空间中。



标记-整理算法标记过程仍然与标记-清除算法一样，但后续步骤不是直接对可回收对象进行清理，而是让所有存活的对象都向一端移动，再清理掉端边界以外的内存区域。

标记整理算法解决了内存碎片的问题，也规避了复制算法只能利用一半内存区域的弊端。标记整理算法对内存变动更频繁，需要整理所有存活对象的引用地址，在效率上比复制算法要差很多。一般是把Java堆分为新生代和老年代，这样就可以根据各个年代的特点采用最适当的收集算法。

分代收集算法是目前大部分JVM的垃圾收集器采用的算法。它的核心思想是根据对象存活的生命周期将内存划分为若干个不同的区域。一般情况下将堆区划分为老年代（Tenured Generation）和新生代（Young Generation），在堆区之外还有一个代就是永久代（Permanet Generation）。老年代的特点是每次垃圾收集时只有少量对象需要被回收，而新生代的特点是每次垃圾回收时都有大量的对象需要被回收，那么就可以根据不同代的特点采取最适合的收集



1. JVM 垃圾回收器分类



• 串行收集器

串行收集器主要有两个特点：第一，它仅仅使用单线程进行垃圾回收；第二，它独占式的垃圾回收。

在串行收集器进行垃圾回收时，Java 应用程序中的线程都需要暂停，等待垃圾回收的完成，这样给用户体验造成较差效果。



• 并行收集器

并行收集器是工作在新生代的垃圾收集器，它只简单地将串行回收器多线程化。它的回收策略、算法以及参数和串行回收器一样。

并行回收器也是独占式的回收器，在收集过程中，应用程序会全部暂停。但由于并行回收器使用多线程进行垃圾回收，因此，在并发能力比较强的 CPU 上，它产生的停顿时间要短于串行回收器，而在单 CPU 或者并发能力较弱的系统中，并行回收器的效果不会比串行回收器好，由于多线程的压力，它的实际表现很可能比串行回收器差。



• CMS 收集器

与并行回收收集器不同，CMS 收集器主要关注于系统停顿时间。CMS 是 Concurrent Mark Sweep 的缩写，意为并发标记清除，从名称上可以得知，它使用的是标记-清除算法，同时它又是一个使用多线程并发回收的垃圾收集器。

CMS 工作时，主要步骤有：初始标记、并发标记、重新标记、并发清除和并发重置。其中初始标记和重新标记是独占系统资源的，而并发标记、并发清除和并发重置是可以和用户线程一起执行的。因此，从整体上来说，CMS 收集不是独占式的，它可以在应用程序运行过程中进行垃圾回收。

根据标记-清除算法，初始标记、并发标记和重新标记都是为了标记出需要回收的对象。并发清理则是在标记完成后，正式回收垃圾对象；并发重置是指在垃圾回收完成后，重新初始化 CMS 数据结构和数据，为下一次垃圾回收做好准备。并发标记、并发清理和并发重置都是可以和应用程序线程一起执行的。

• G1 收集器 (Garbage First)

G1 收集器的目标是作为一款服务器的垃圾收集器，因此，它在吞吐量和停顿控制上，预期要优于 CMS 收集器。

与 CMS 收集器相比，G1 收集器是基于标记-压缩算法的。因此，它不会产生空间碎片，也没有必要在收集完成后，进行一次独占式的碎片整理工作。G1 收集器还可以进行非常精确的停顿控制。它可以让开发人员指定当停顿时长为 M 时，垃圾回收时间不超过 N。使用参数-XX:+UnlockExperimentalVMOptions –XX:+UseG1GC 来启用 G1 回收器，设置 G1 回收器的目标停顿时间：-XX:MaxGCPauseMills=20,-XX:GCPauseIntervalMills=200。



1. 内存区域与回收策略

什么时候回收和具体如何回收？

对象的内存分配，往大方向讲，就是在堆上分配（但也可能经过JIT编译后被拆散为标量类型并间接地栈上分配），对象主要分配在新生代的Eden区上，如果启动了本地线程分配缓冲，将按线程优先在TLAB上分配。少数情况下也可能会直接分配在老年代中（大对象直接分到老年代），分配的规则并不是百分百固定的，其细节取决于当前使用的是哪一种垃圾收集器组合，还有虚拟机中与内存相关的参数的设置。

• 对象优先在Eden分配

大多数情况下，对象会在新生代Eden区中分配。当Eden区没有足够空间进行分配时，虚拟机会发起一次 Minor GC。Minor GC相比Major GC更频繁，回收速度也更快。通过Minor GC之后，Eden区中绝大部分对象会被回收，而那些存活对象，将会送到Survivor的From区（若From区空间不够，则直接进入Old区）

• Survivor区

Survivor区相当于是Eden区和Old区的一个缓冲，类似于我们交通灯中的黄灯。Survivor又分为2个区，一个是From区，一个是To区。每次执行Minor GC，会将Eden区中存活的对象放到Survivor的From区，而在From区中，仍存活的对象会根据他们的年龄值来决定去向。（From Survivor和To Survivor的逻辑关系会发生颠倒： From变To ， To变From，目的是保证有连续的空间存放对方，避免碎片化的发生）

Survivor区存在的意义

如果没有Survivor区，Eden区每进行一次Minor GC，存活的对象就会被送到老年代，老年代很快就会被填满。而有很多对象虽然一次Minor GC没有消灭，但其实也并不会蹦跶多久，或许第二次，第三次就需要被清除。这时候移入老年区，很明显不是一个明智的决定。所以，Survivor的存在意义就是减少被送到老年代的对象，进而减少Major GC的发生。Survivor的预筛选保证，只有经历16次Minor GC还能在新生代中存活的对象，才会被送到老年代。



• 大对象直接进入老年代

所谓大对象是指，需要大量连续内存空间的Java对象，最典型的大对象就是那种很长的字符串以及数组。大对象对虚拟机的内存分配来说就是一个坏消息，经常出现大对象容易导致内存还有不少空间时就提前触发垃圾收集以获取足够的连续空间来 “安置” 它们。

虚拟机提供了一个XX:PretenureSizeThreshold参数，令大于这个设置值的对象直接在老年代分配，这样做的目的是避免在Eden区及两个Survivor区之间发生大量的内存复制（新生代采用的是复制算法）。



• 长期存活的对象将进入老年代

虚拟机给每个对象定义了一个对象年龄（Age）计数器，如果对象在Eden出生并经过第一次Minor GC后仍然存活，并且能被Survivor容纳的话，将被移动到Survivor空间中（正常情况下对象会不断的在Survivor的From与To区之间移动），并且对象年龄设为1。对象在Survivor区中每经历一次Minor GC，年龄就增加1岁，当它的年龄增加到一定程度（默认15岁），就将会晋升到老年代中。对象晋升老年代的年龄阈值，可以通过参数 XX:MaxPretenuringThreshold 设置。



• 动态对象年龄判定

为了能更好地适应不同程度的内存状况，虚拟机并不是永远地要求对象的年龄必须达到 MaxPretenuringThreshold才能晋升老年代，如果Survivor空间中相同年龄所有对象大小的总和大于Survivor空间的一半，年龄大于或等于改年龄的对象就可以直接进入老年代，无需等到MaxPretenuringThreshold中要求的年龄。



参考

https://www.jianshu.com/p/23f8249886c6

https://www.cnblogs.com/jichi/p/11139437.html

https://developer.ibm.com/zh/articles/j-lo-JVMGarbageCollection/