Java基础-gs（垃圾回收）

Java垃圾回收概况

　　Java GC（Garbage Collection，垃圾收集，垃圾回收）机制，是Java与C++/C的主要区别之一，作为Java开发者，一般不需要专门编写内存回收和垃圾清理代 码，对内存泄露和溢出的问题，也不需要像C程序员那样战战兢兢。这是因为在Java虚拟机中，存在自动内存管理和垃圾清扫机制。概括地说，该机制对 JVM（Java Virtual Machine）中的内存进行标记，并确定哪些内存需要回收，根据一定的回收策略，自动的回收内存，永不停息（Nerver Stop）的保证JVM中的内存空间，放置出现内存泄露和溢出问题。

Java GC机制主要完成3件事：确定哪些内存需要回收，确定什么时候需要执行GC，如何执行GC。

　　学习Java GC机制，可以帮助我们在日常工作中排查各种内存溢出或泄露问题，解决性能瓶颈，达到更高的并发量，写出更高效的程序。

GC的阶段 
对每个对象而言，垃圾回收分为两个阶段：finalization和reclamation。

finalization: 指运行这个对象的finalize的方法。
reclamation: 回收被这个对象使用的内存。

GC的过程的基本步骤

首先确认对象是不可达的，即将被回收。
其次，如果对象有finalize方法，那么对象被添加进finalization queue中；然后在某个时间点finalize方法被调用以释放finalize中的资源。
最后，回收对象占用的内存。

关于finalize方法的问题

finalize方法使得GC过程做了更多的事情，增加的GC的负担。
如果某个对象的finalize方法运行时间过长，它会使得其他对象的finalize方法被延迟执行。
finalize方法中如果创建了strong reference引用了其他对象，这会阻止此对象被GC。
finalize方法有可能以不可确定的顺序执行（也就是说要在安全性要求严格的场景中尽量避免使用finalize方法）。
不确保finalize方法会被及时调用，也许程序都退出了，但是finalize方法还没被调用。

衡量GC的指标（GC Metrics）

Throughput（吞吐量）：所有没有花在执行GC上的时间占总运行时间的比重。
Pauses（暂停）：当GC在运行时程序的暂停次数。或者是在感兴趣的暂停次数中，暂停的平均时长和最大时长。
Footprint（足迹？）：当前使用的堆内存大小。
Promptness（及时性）：不再使用的对象多久能被清除掉并释放其内存。

通用GC算法 
Java所使用的所有的GC算法都是通用GC算法概念的变种。 
通用GC算法的假设：

最近创建的对象很可能很快就不可达了（unreachable，即可被回收了），比如方法内部声明的本地变量，当程序运行出了本地变量的作用范围后，本地变量引用的对象就很快不可达了。
一个对象保持可达（reachable）的越久就越不可能被回收。

在Java GC中，对象被划分为generations（代）或spaces（空间）。Java把对象分为young（年轻代），tenured（年老代）和perm（永久代）。在GC过程中，对象从一个space（空间）移动到另一个space。 
Object Spaces（对象空间）

• Young：年轻代中保存着刚创建的对象，这个代中的对象能够“minor” or “major” 收集中被回收。
• Tenured：年老代中保存着从年轻代中幸存下来的对象，只能够在“major”中被回收。
• Perm：永久代中保存着JVM所需的对象，比如Class对象和Method对象，以及他们的字节码和内部字符串等。对Perm中的对象GC意味着所有的Class都被卸载了。

每块空间的大小由当前的对内存大小决定，并且能够在运行时改变。每个空间之间的关系如下图所示： 

Young Spaces（年轻空间）

• Eden space：存储自从上次GC完毕之后新创建的对象，除了属于Perm的对象。当minor collection发生时，Eden space中的对象或者GC清理掉，或者被移到survivor space。
• Survivor spaces：这个空间中存储的是自从上次GC幸存下来的young object。在minor GC中，这些对象或者被GC清理掉，或者被移到另外一个survivor空间中。

Minor collections和Major collections

• Minor collection当young space被占满时执行。它比major collections快，因为minor collection仅仅检查major collection相应的一个子集对象。minor collection比major collection发生的频率高。
• Major collection当tenured space被占满时执行。他会清理tenured和young。

GC运行的三种方式

在java5和java6中有4中垃圾回收的算法，有一种算法将不再支持，剩余的三种垃圾回收算法是：serial,throughput and concurrent low pause。

Stop the world（停止所有程序的方式）：在这种方式运行的GC，在GC完成前，JVM中的所有程序都不允许运行。Serial collector此时做minor和major收集。Throughput collector此时做major collector。
Incremental（增量运行方式）：目前没要Java GC算法支持这种运行方式。GC以这种方式运行时，GC允许程序做一小段时间的工作，然后做垃圾回收工作。
Concurrent（并行运行）：Throughput collector此时做minor collect，Concurrent low pause collector此时做minor和major收集。在这种运行方式下，GC和程序并行的运行，因此程序仅仅被短暂的暂停。

GC算法

Serial算法: 使用-XX:+UseSerialGC开启此算法的GC。GC使用和应用程序相同的线程去做minor collection和major collection。
Throughput：使用-XX:+UseParallelGC开启此算法GC。GC使用多线程去做minor collection以减少程序停止的时间。但是对于major collection，还是使用同程序相同的线程去做。当具有多核cpu时，并且程序有大量的短生命周期的对象时，并且对程序停顿时间不限制时较好。
Concurrent Low Pause: 使用-XX:+UseConcMarkSweepGC开启此算法GC。使用多线程去做minor和major collection。当具有多核cpu，并且程序有大量的长生命周期的对象，并且对程序停顿时间有限制时，效果较好。

什么时候发生GC

GC发生的时刻受堆内存大小的影响。如果堆内存小，GC会执行的很快，但是又会很快的被填满，因此GC比频繁；如果堆内存很大，GC会执行的较慢，而且不会很快被填满，因此执行的比较频率比较低

基本的GC调试

throughput goal -XX:GCTimeRatio=n： 表示花费总时间百分之多少的CPU时间去运行程序。
maximum pause time goal -XX:MaxGCPauseMillis=n：每次GC时程序暂停最多多少毫秒。
footprint goal：如果其他目标都达到了，那么首先减少heap size，直到前两个goal不再满足，然后再慢慢增加。直到满足前面两个goal。
-Xms=n (starting) and -Xmx=n (maximum) heap size，这两个参数应该都很熟悉，就是JVM使用的最小堆内存数和最大堆内存数。
-XX:MinHeapFreeRatio=n, -XX:MaxHeapFreeRatio=n：最小和最大的空闲堆内存和被使用堆内存的比例。当空闲堆内存比例小于MinHeapFreeRatio时，内存空间开始扩展。当空闲堆内存比例大于MaxHeapFreeRatio时，内存空间开始减小。
-XX:NewSize=n, -XX:MaxNewSize=n：默认的young space的大小（包括eden + survivor 1 + survivor 2）。
-XX:NewRatio=n：young和tenured的比例。
-XX:SurvivorRatio=n：每个survivor space 和 eden之间的比例。
-XX:MaxPermSize=n：perm的最大size。
-XX:TargetSurvivorRatio=n：每次GC之后幸存下来的空间的目标比例。
-XX:+DisableExplicitGC：当此参数打开时，在程序中调用System.gc()将会不起作用。默认是off。
-XX:+ScavengeBeforeFullGC：当打开此参数时，在每次major collection时先执行一次minor collection。默认打开。
-XX:+UseGCOverheadLimit：当打开此参数时，如果总运行时间的98％的时间都在做GC，则抛出OutOfMemmoryError。默认打开。 

4个方面学习Java GC机制

1，内存是如何分配的；
2，如何保证内存不被错误回收（即：哪些内存需要回收）；
3，在什么情况下执行GC以及执行GC的方式；
4，如何监控和优化GC机制。

GC机制的基本算法是：分代收集

下面阐述每个分代的收集方法。

　　

　　年轻代：

　　事实上，在上一节，已经介绍了新生代的主要垃圾回收方法，在新生代中，使用“停止-复制”算法进行清理，将新生代内存分为2部分，1部分 Eden区较大，1部分Survivor比较小，并被划分为两个等量的部分。每次进行清理时，将Eden区和一个Survivor中仍然存活的对象拷贝到 另一个Survivor中，然后清理掉Eden和刚才的Survivor。

　　这里也可以发现，停止复制算法中，用来复制的两部分并不总是相等的（传统的停止复制算法两部分内存相等，但新生代中使用1个大的Eden区和2个小的Survivor区来避免这个问题）

　　由于绝大部分的对象都是短命的，甚至存活不到Survivor中，所以，Eden区与Survivor的比例较大，HotSpot默认是 8:1，即分别占新生代的80%，10%，10%。如果一次回收中，Survivor+Eden中存活下来的内存超过了10%，则需要将一部分对象分配到 老年代。用-XX:SurvivorRatio参数来配置Eden区域Survivor区的容量比值，默认是8，代表Eden：Survivor1：Survivor2=8:1:1.

　　老年代：

　　老年代存储的对象比年轻代多得多，而且不乏大对象，对老年代进行内存清理时，如果使用停止-复制算法，则相当低效。一般，老年代用的算法是标记-整理算法，即：标记出仍然存活的对象（存在引用的），将所有存活的对象向一端移动，以保证内存的连续。

     在发生Minor GC时，虚拟机会检查每次晋升进入老年代的大小是否大于老年代的剩余空间大小，如果大于，则直接触发一次Full GC，否则，就查看是否设 置了-XX:+HandlePromotionFailure（允许担保失败），如果允许，则只会进行MinorGC，此时可以容忍内存分配失败；如果不 允许，则仍然进行Full GC（这代表着如果设置-XX:+Handle PromotionFailure，则触发MinorGC就会同时触发Full GC，哪怕老年代还有很多内存，所以，最好不要这样做）。

　　方法区（永久代）：

　　永久代的回收有两种：常量池中的常量，无用的类信息，常量的回收很简单，没有引用了就可以被回收。对于无用的类进行回收，必须保证3点：

1. 类的所有实例都已经被回收
2. 加载类的ClassLoader已经被回收
3. 类对象的Class对象没有被引用（即没有通过反射引用该类的地方）

永久代的回收并不是必须的，可以通过参数来设置是否对类进行回收。HotSpot提供-Xnoclassgc进行控制

     使用-verbose，-XX:+TraceClassLoading、-XX:+TraceClassUnLoading可以查看类加载和卸载信息

     -verbose、-XX:+TraceClassLoading可以在Product版HotSpot中使用；

     -XX:+TraceClassUnLoading需要fastdebug版HotSpot支持

在GC机制中，起重要作用的是垃圾收集器，垃圾收集器是GC的具体实现，Java虚拟机规范中对于垃圾收集器没有任何规定，所以不同厂商实现的垃圾 收集器各不相同

在介绍垃圾收集器之前，需要明确一点，就是在新生代采用的停止复制算法中，“停 止（Stop-the-world）”的意义是在回收内存时，需要暂停其他所 有线程的执行。这个是很低效的，现在的各种新生代收集器越来越优化这一点，但仍然只是将停止的时间变短，并未彻底取消停止。

• Serial收集器：新生代收集器，使用停止复制算法，使用一个线程进行GC，其它工作线程暂停。使用-XX:+UseSerialGC可以使用Serial+Serial Old模式运行进行内存回收（这也是虚拟机在Client模式下运行的默认值）
• ParNew收集器：新生代收集器，使用停止复制算法，Serial收集器的多线程版，用多个线程进行GC，其它工作线程暂停，关注缩短垃圾收集时间。使用-XX:+UseParNewGC开关来控制使用ParNew+Serial Old收集器组合收集内存；使用-XX:ParallelGCThreads来设置执行内存回收的线程数。
• Parallel Scavenge 收集器：新生代收集器，使用停止复制算法，关注CPU吞吐量，即运行用户代码的时间/总时间，比如：JVM运行100分钟，其中运行用户代码99分钟，垃 圾收集1分钟，则吞吐量是99%，这种收集器能最高效率的利用CPU，适合运行后台运算（关注缩短垃圾收集时间的收集器，如CMS，等待时间很少，所以适 合用户交互，提高用户体验）。使用-XX:+UseParallelGC开关控制使用 Parallel Scavenge+Serial Old收集器组合回收垃圾（这也是在Server模式下的默认值）；使用-XX:GCTimeRatio来设置用户执行时间占总时间的比例，默认99，即 1%的时间用来进行垃圾回收。使用-XX:MaxGCPauseMillis设置GC的最大停顿时间（这个参数只对Parallel Scavenge有效）

• Serial Old收集器：老年代收集器，单线程收集器，使用标记整理（整理的方法是Sweep（清理）和Compact（压缩），清理是将废弃的对象干掉，只留幸存 的对象，压缩是将移动对象，将空间填满保证内存分为2块，一块全是对象，一块空闲）算法，使用单线程进行GC，其它工作线程暂停（注意，在老年代中进行标 记整理算法清理，也需要暂停其它线程），在JDK1.5之前，Serial Old收集器与ParallelScavenge搭配使用。
• Parallel Old收集器：老年代收集器，多线程，多线程机制与Parallel Scavenge差不错，使用标记整理（与Serial Old不同，这里的整理是Summary（汇总）和Compact（压缩），汇总的意思就是将幸存的对象复制到预先准备好的区域，而不是像Sweep（清 理）那样清理废弃的对象）算法，在Parallel Old执行时，仍然需要暂停其它线程。Parallel Old在多核计算中很有用。Parallel Old出现后（JDK 1.6），与Parallel Scavenge配合有很好的效果，充分体现Parallel Scavenge收集器吞吐量优先的效果。使用-XX:+UseParallelOldGC开关控制使用Parallel Scavenge +Parallel Old组合收集器进行收集。
• CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器：老年代收集器，致力于获取最短回收停顿时间，使用标记清除算法，多线程，优点是并发收集（用户线程可以和GC线程同时工作），停顿小。使用-XX:+UseConcMarkSweepGC进行ParNew+CMS+Serial Old进行内存回收，优先使用ParNew+CMS（原因见后面），当用户线程内存不足时，采用备用方案Serial Old收集。

CMS收集的方法是：先3次标记，再1次清除，3次标记中前两次是初始标记和重新标记（此时仍然需要停止（stop the world））， 初始标记（Initial Remark）是标记GC Roots能关联到的对象（即有引用的对象），停顿时间很短；并发标记（Concurrent remark）是执行GC Roots查找引用的过程，不需要用户线程停顿；重新标记（Remark）是在初始标记和并发标记期间，有标记变动的那部分仍需要标记，所以加上这一部分 标记的过程，停顿时间比并发标记小得多，但比初始标记稍长。在完成标记之后，就开始并发清除，不需要用户线程停顿。

所以在CMS清理过程中，只有初始标记和重新标记需要短暂停顿，并发标记和并发清除都不需要暂停用户线程，因此效率很高，很适合高交互的场合。

CMS也有缺点，它需要消耗额外的CPU和内存资源，在CPU和内存资源紧张，CPU较少时，会加重系统负担（CMS默认启动线程数为(CPU数量+3)/4）。

另外，在并发收集过程中，用户线程仍然在运行，仍然产生内存垃圾，所以可能产生“浮动垃圾”，本次无法清理，只能下一次Full GC才清理，因此在GC期间，需要预留足够的内存给用户线程使用。所以使用CMS的收集器并不是老年代满了才触发Full GC，而是在使用了一大半（默认68%，即2/3，使用-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction来设置）的时候就要进行Full GC，如果用户线程消耗内存不是特别大，可以适当调高-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction以降低GC次数，提高性能，如果预留的用户线程内存不够，则会触发Concurrent Mode Failure，此时，将触发备用方案：使用Serial Old 收集器进行收集，但这样停顿时间就长了，因此-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction不宜设的过大。

还有，CMS采用的是标记清除算法，会导致内存碎片的产生，可以使用-XX：+UseCMSCompactAtFullCollection来设置是否在Full GC之后进行碎片整理，用-XX：CMSFullGCsBeforeCompaction来设置在执行多少次不压缩的Full GC之后，来一次带压缩的Full GC。

 

• G1收集器：在JDK1.7中正式发布，与现状的新生代、老年代概念有很大不同，目前使用较少，不做介绍。

 

     注意并发（Concurrent）和并行（Parallel）的区别：

     并发是指用户线程与GC线程同时执行（不一定是并行，可能交替，但总体上是在同时执行的），不需要停顿用户线程（其实在CMS中用户线程还是需要停顿的，只是非常短，GC线程在另一个CPU上执行）；

     并行收集是指多个GC线程并行工作，但此时用户线程是暂停的；

所以，Serial和Parallel收集器都是并行的，而CMS收集器是并发的.