jvm(3)-垃圾收集器与内存分配策略

【0】README

0.1）本文部分文字转自：深入理解jvm，旨在学习垃圾收集器与内存分配策略的基础知识；

【1】垃圾回收概述

1）GC（Garbage Collection）需要完成的3件事情：哪些内容需要回收；什么时候回收；以及如何回收？

2）垃圾回收机制关注的内存是：java 堆和方法区，因为这部分内存的分配都是动态的；

【1.1】对象是否已死（判断）

1）可达性分析算法：通过java，C#等都是通过该算法来判断对象是否存活？。其基本思想就是通过一系列称为“GC Root”的对象作为起点，从这些节点向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链，但一个对象到GC Root没有任何引用链相连的话，则证明对象是不可用的；

2）java中，可作为GC Roots的对象包括下面几种（Objects）：

O1）虚拟机栈中引用的对象；

O2）方法区中类静态属性引用的对象；

O3）方法区中常量引用的对象；

O4）本地方法栈中JNI（Native方法）引用的对象；

【1.2】java引用类型

1）引用分为： 强引用，软引用，弱引用，虚引用；以上四种引用强度逐渐减弱；

2）引用详解：

2.1）强引用：指在程序中普遍存在的，类似 Object obj = new Object()；只要强引用存在，就不会被回收；

2.2）软引用：用来描述一些还有用但并非必须的对象；在系统将要发生内存溢出异常前，将会把这些对象列进回收范围中进行第二次回收；（SoftReference类来实现软引用）

2.3）弱引用：也是用来描述非必须对象的，但它的强度比软引用还要弱，被弱引用关联的对象只能生存到下一次GC之前；（WeakReference类来实现弱引用）

2.4）虚引用：它是最弱的一种引用关系。一个对象是否有虚引用的存在，完全不会对其生存时间构成威胁，也无法通过一个虚引用获得一个对象实例。为一个对象设置虚引用的目的是：能够在这个对象被回收时收到一个系统通知。（PhantomReference 类来提供虚引用）

【1.3】生存还是死亡

1）即使在可达性分析算法中不可达的对象，而并非是“非死不可”的： 这时候他们暂时处于缓刑阶段，要真正宣告一个对象死亡，需要两次标记marks；（干货——宣告一个对象死亡（被回收），需要两次标记marks）

mark1）如果对象在进行可达性分析后发现没有与 GC roots 相连接的引用链，那他将会被第一次标记并且进行一次筛选；筛选条件是此对象是否有必要执行 finalize方法。如果该对象没有覆盖 finalize方法，或者finalize方法已经被虚拟机调用过，虚拟机将这两种cases 都视为没有必要执行；

mark2）如果这个对象被判定有必要执行 finalize方法，那么这个对象将会放置到一个叫做F-Queue的队列中，并在稍后由一个虚拟机自动建立的，低优先级的finalizer 线程去执行它。

这里所谓的“执行”是指虚拟机会触发这个方法，但并不承诺会等待它运行结束。这样做的原因是，如果一个对象在finalize()方法中执行缓慢，或者发生了死循环（更极端的情况），将很可能会导致F-Queue队列中的其他对象永久处于等待状态，甚至导致整个内存回收系统崩溃。finalize()方法是对象逃脱死亡命运的最后一次机会，稍后GC将对F-Queue中的对象进行第二次小规模的标记，如果对象要在finalize()中成功拯救自己——只要重新与引用链上的任何一个对象建立关联即可，譬如把自己（this关键字）赋值给某个类变量或对象的成员变量，那在第二次标记时它将被移除出“即将回收”的集合；如果对象这时候还没有逃脱，那它就真的离死不远了。（干货——finalize()方法是对象逃脱死亡命运的最后一次机会）

2）垃圾回收前的对象自救——荔枝演示

2.1）源代码

/*** 此代码演示了两点： * 1.对象可以在被GC时自我拯救。 * 2.这种自救的机会只有一次，因为一个对象的finalize()方法最多只会被系统自动调用一次* @author zzm*/
public class FinalizeEscapeGC {public static FinalizeEscapeGC SAVE_HOOK = null;public void isAlive() {System.out.println("yes, i am still alive :)");}@Overrideprotected void finalize() throws Throwable {super.finalize();System.out.println("finalize mehtod executed!");FinalizeEscapeGC.SAVE_HOOK = this; // System.gc()调用到了这里，拯救成功}public static void main(String[] args) throws Throwable {SAVE_HOOK = new FinalizeEscapeGC();//对象第一次成功拯救自己SAVE_HOOK = null;System.gc();// 因为Finalizer方法优先级很低，暂停0.5秒，以等待它Thread.sleep(500);if (SAVE_HOOK != null) {SAVE_HOOK.isAlive();} else {System.out.println("no, i am dead :(");}// 下面这段代码与上面的完全相同，但是这次自救却失败了SAVE_HOOK = null;System.gc();// 因为Finalizer方法优先级很低，暂停0.5秒，以等待它Thread.sleep(500);if (SAVE_HOOK != null) {SAVE_HOOK.isAlive();} else {System.out.println("no, i am dead :(");}}
}

2.2）打印结果

finalize mehtod executed!
yes, i am still alive :)
no, i am dead :(

3）不推荐使用 finalize方法（but try-finally）

笔者并不鼓励大家使用这种方法来拯救对象。相反，笔者建议大家尽量避免使用它，因为它不是C/C++中的析构函数，而是Java刚诞生时为了使C/C++程序员更容易接受它所做出的一个妥协。它的运行代价高昂，不确定性大，无法保证各个对象的调用顺序。finalize()能做的所有工作，使用try-finally或其他方式都可以做得更好、更及时，大家完全可以忘掉Java语言中还有这个方法的存在。

【1.4】回收方法区

1）永久代的垃圾收集主要回收两部分内容：废弃常量和无用的类。回收废弃常量与回收Java堆中的对象非常类似。以常量池中字面量的回收为例，假如一个字符串“abc”已经进入了常量池中，但是当前系统没有任何一个String对象是叫做“abc”的，换句话说是没有任何String对象引用常量池中的“abc”常量，也没有其他地方引用了这个字面量，如果在这时候发生内存回收，而且必要的话，这个“abc”常量就会被系统“请”出常量池。

2）判定一个常量是否是“废弃常量”比较简单，而要判定一个类是否是“无用的类”的条件则相对苛刻许多。类需要同时满足下面3个条件（Conditions）才能算是“无用的类”：

C1）该类所有的实例都已经被回收，也就是Java堆中不存在该类的任何实例。

C2）加载该类的ClassLoader已经被回收。

C3）该类对应的java.lang.Class 对象没有在任何地方被引用，无法在任何地方通过反射访问该类的方法。

3）是否对类进行回收： HotSpot虚拟机提供了-Xnoclassgc参数进行控制，还可以使用-verbose:class及-XX:+TraceClassLoading、 -XX:+TraceClassUnLoading查看类的加载和卸载信息。

【2】垃圾收集算法

1）复制算法：

为了解决效率问题，一种称为“复制”（Copying）的收集算法出现了，它将可用内存按容量划分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块。当这一块的内存用完了，就将还存活着的对象复制到另外一块上面，然后再把已使用过的内存空间一次清理掉。（现在的商业虚拟机都采用这种收集算法来回收新生代）

现在的商业虚拟机都采用这种收集算法来回收新生代，IBM的专门研究表明：新生代中的对象98%是朝生夕死的，所以并不需要按照1∶1的比例来划分内存空间，而是将内存分为一块较大的Eden空间和两块较小的Survivor空间，每次使用Eden和其中的一块Survivor。当回收时，将Eden和Survivor中还存活着的对象一次性地拷贝到另外一块Survivor空间上，最后清理掉Eden和刚才用过的Survivor的空间。HotSpot虚拟机默认Eden和Survivor的大小比例是8∶1，也就是每次新生代中可用内存空间为整个新生代容量的90%（80%+10%），只有10%的内存是会被“浪费”的。（干货——注意这里的Eden 和 Survivor空间，后面的内容会用到）

2）分代收集算法：

当前商业虚拟机的垃圾收集都采用“分代收集”（Generational Collection）算法，这种算法并没有什么新的思想，只是根据对象的存活周期的不同将内存划分为几块。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。在新生代中，每次垃圾收集时都发现有大批对象死去，只有少量存活，那就选用复制算法，只需要付出少量存活对象的复制成本就可以完成收集。而老年代中因为对象存活率高、没有额外空间对它进行分配担保，就必须使用“标记-清理”或“标记-整理”算法来进行回收。

【2】垃圾收集器

1）Serial收集器（单线程收集器）
2）ParNew收集器（Serial收集器的多线程版本）
3）Parallel Scavenge收集器： Parallel Scavenge收集器的目标： 则是达到一个可控制的吞吐量（Throughput）。所谓吞吐量就是CPU用于运行用户代码的时间与CPU总消耗时间的比值，即吞吐量 = 运行用户代码时间 /（运行用户代码时间 + 垃圾收集时间），虚拟机总共运行了100分钟，其中垃圾收集花掉1分钟，那吞吐量就是99%。（干货——吞吐量的定义）
4）Serial Old收集器（是Serial收集器的老年代版本）
5）Parallel Old收集器（Parallel Scavenge收集器的老年代版本）
6）CMS收集器（Concurrent Mark Sweep）：目的是获取最短回收停顿时间，并发收集，低停顿；
7）G1收集器（Garbage-First）：可建立可预测的停顿时间模型，且面向server 的应用；

【3】理解GC日志

1）阅读GC日志是处理jvm 内存问题的基础技能

2）看个荔枝：

对以上日志的分析（Analysis）：

A1）33.125：代表GC发生的时间，表示从 jvm 启动以来经过的秒数；
A2）GC日志开头的 [GC 和 [FullGC 说明了这次垃圾收集的停顿类型： 如果是调用 System.gc() 方法进行收集，将显示 [Full GC(System)；
A3）[DefNew,[Tenured,[Perm 表示： GC发生的区域，这里显示的区域名称与使用的GC收集器密切相关，如 DefNew == Default New Generation；
A4）后面方括号内部的 3324K->152K(3712K)：表示 GC 前该内存区域已经使用容量->GC后该内存区域已使用容量（该内存区域的总容量）；
A5）括号外的 3324K->152K(11904K)：　表示GC前java 堆已使用容量->GC后堆已使用容量(java堆总容量)；
A6）0.0031680 secs表示： 该内存区域进行GC 所占用的时间；
A7）有的收集器会给出具体的GC时间， 如[time: user=0.01 sys=0.00 real=0.02 secs]，user， sys， real 分别代表用户态消耗的CPU时间，内核态消耗的CPU事件和操作从开始到结束所经过的墙钟时间。

3）垃圾收集器参数总结

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