垃圾回收 (Garbage Collection)

  • 如何判断对象可以回收
  • 垃圾回收算法
  • 分代垃圾回收
  • 垃圾回收器
  • 垃圾回收调优

① 如何判断对象可以回收

引用计数法

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可达性分析算法

  • Java虚拟机中的垃圾回收器采用可达性分析来探索所有存活的对象。
  • 扫描堆中的对象，看是否能够沿着GC Root对象为起点的引用链找到该对象，找不到，表示可以回收。
  • 哪些对象可以作为GC Root？

四种引用

  1. 强引用
  • 只有所有GC Roots对象都不通过“强引用”引用该对象，该对象才能被垃圾回收。
  1. 软引用 (SoftReference)
  • 仅有软引用引用该对象时，在垃圾回收后，内存仍不足时回再次触发垃圾回收，回收软引用对象。
  • 可以配合引用队列来释放软引用自身。
  1. 弱引用 (WeakReference)
  • 仅有弱引用引用该对象时，在垃圾回收时，无论内存是否充足，都会回收弱引用对象。
  • 可以配合引用队列来释放弱引用自身。
  1. 虚引用 (PhantomReference)
  • 必须配合引用队列使用，主要配合ByteBuffer使用，被引用对象回收时，会将虚引用入队，由Reference Handler线程调用虚引用相关方法释放直接内存。
  1. 终结器引用 (FinalReference)
  • 无需手动编码，但其内部配合引用队列使用，在垃圾回收时，终结器引用入队（被引用对象暂时没有被回收），再由Finalizer线程通过终结器引用找到被引用对象并调用它的finalize方法，第二次GC时才能回收被引用对象。

② 垃圾回收算法

标记清除

定义：Mark Sweep

  • 速度较快
  • 会造成内存碎片

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标记整理

定义：Mark Compact

  • 速度慢
  • 没有内存碎片

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复制

定义：Copy

  • 不会有内存碎片
  • 需要占用双倍内存空间

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③ 分代垃圾回收

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  • 对象首先分配在伊甸园区域
  • 新生代空间不足时，触发minor gc，伊甸园和from存活的对象使用copy复制到to中，存活的对象年龄加1并且交换from to
  • minor gc会引发stop the world，暂停其他用户的线程，等垃圾回收结束，用户线程才恢复运行
  • 当对象寿命超过阈值时，会晋升至老年代，最大寿命是15 (4 bit)
  • 当老年代空间不足，会先尝试触发minor gc，如果之后空间仍不足，那么触发full gc，STW的时间更长

相关JVM参数

  • 堆初始大小 -Xms
  • 堆最大大小 -Xmx 或 -XX:MaxHeapSize=size
  • 新生代大小 -Xmn 或 (-XX:NewSize=size + -XX:MaxNewSize=size)
  • 幸存区比例（动态） -XX:InitialSurvivorRatio=ratio 和 -XX:+UseAdaptiveSizePolicy
  • 幸存区比例 -XX:SurvivorRatio=ratio
  • 晋升阈值 -XX:MaxTenuringThreshold=threshold
  • 晋升详情 -XX:+PrintTenuringDistribution
  • GC详情 -XX:+PrintGCDetails -verbose:gc
  • FullGC 前 MinorGC -XX:+ScavengeBeforeFullGC

④ 垃圾回收器

  1. 串行
  • 单线程
  • 堆内存较小，适合个人电脑
  1. 吞吐量优先
  • 多线程
  • 堆内存较大，多核CPU
  • 让单位时间内，STW的时间最短 0.2+0.2=0.4，垃圾回收时间占比最低，这样就称吞吐量高
  1. 响应时间优先
  • 多线程
  • 堆内存较大，多核CPU
  • 尽可能让单次STW的时间最短 0.1+0.1+0.1+0.1+0.1=0.5

串行

-XX:+UseSerialGC = Serial + SerialOld

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吞吐量优先

-XX:+UseParallelGC ~ -XX:+UseParallelOldGC
-XX:+UseAdaptiveSizePolicy
-XX:GCTimeRatio=ratio
-XX:MaxGCPauseMillis=ms
-XX:ParallelGCThreads=n

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响应时间优先

-XX:+UseConcMarkSweepGC ~ -XX:+UseParNewGC ~ SerialOld
-XX:ParallelGCThreads=n ~ -XX:ConcGCThreads=threads
-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=percent
-XX:+CMSScavengeBeforeRemark

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G1

定义：Garbage First

  • 2004 论文发布
  • 2009 JDK 6u14 体验
  • 2012 JDK 7u4 官方支持
  • 2017 JDK 9 默认

使用场景：

  • 同时注重吞吐量（Throughout）和低延迟（Low lantency），默认的暂停时间是200ms
  • 超大堆内存，会将堆划分为多个大小相等的Region
  • 整体上是标记+整理算法，两个区域之间是复制算法

相关JVM参数：

  • -XX:+UseG1GC
  • -XX:G1HeapRegionSize=size
  • -XX:MaxGCPauseMillis=time

(1) G1 垃圾回收阶段

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(2) Young Collection

  • 会STW

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(3) Young Collection + CM

  • 在Young GC时会进行GC Root的初始标记
  • 老年代占用堆空间比例达到阈值，进行并发标记（不会STW），由下面的JVM参数决定
    -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=percent （默认45%）

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(4) Mixed Collection

会对E、S、O进行全面垃圾回收

  • 最终标记（Remark）会STW
  • 拷贝存活（Evacuation）会STW

-XX:MaxGCPauseMillis=ms

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(5) Full GC

  • SerialGC
    • 新生代内存不足发生的垃圾收集 -minor gc
    • 老年代内存不足发生的垃圾收集 -full gc
  • ParallelGC
    • 新生代内存不足发生的垃圾收集 -minor gc
    • 老年代内存不足发生的垃圾收集 -full gc
  • CMS
    • 新生代内存不足发生的垃圾收集 -minor gc
    • 老年代内存不足
  • G1
    • 新生代内存不足发生的垃圾收集 -minor gc
    • 老年代内存不足

(6) Young Collection 跨代引用

  • 新生代回收的跨代引用（老年代引用新生代）问题

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  • 卡表与 Remembered Set
  • 在引用变更时通过 post-write barrier + dirty card queue
  • concurrent refinement threads 更新 Remembered Set

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(7) Remark

  • pre-write barrier + satb_mark_queue

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(8) JDK 8u20 字符串去重

  • 优点：节省大量内存
  • 缺点：略微多占用了CPU时间，新生代回收时间略微增加

-XX:+UseStringDeduplication

1
2
String s1 = new String("hello"); // char[]{'h','e','l','l','o'}
String s2 = new String("hello"); // char[]{'h','e','l','l','o'}