Java垃圾回收学习笔记

通常来说，要写Java代码，你基本上都没必要听说垃圾回收这个概念的。这不，对于已经写了多年Java代码的我来说，我还没有哪次经历说是需要使用垃圾回收方面的知识来解决问题的。但是，我依然督促自己花了几天时间系统性地（也比较浅显地）学习了Java垃圾回收机制。我认为学习Java垃圾回收机制至少可以得到以下几方面的好处：

1. 对于系统调优有直接帮助
2. 增加和同行聊天或者下一份工作面试时的谈资
3. 在追求技术卓越上更进一步

（一）Java堆内存的分代管理

Java垃圾回收是需要消耗CPU和内存资源的，其速度随着内存的变大而减慢，这将严重影响系统的性能。同时，Java系统中存在着这么一种现象：大多数Java对象都是“短命”的。基于此，Java采用了分代的内存管理方式，并在不同的内存代中采用不同的垃圾回收算法，从而达到对内存更细粒度的管理，最大限度地减小垃圾回收对系统本身的影响。

 

 

 

 

由上图所示，Java的堆空间被分为了三个区域，分别是新生代（Young Generation）、老年代（Old Generation）和永久代（Permanent Generation）。新创建出来的对象首先存放在新生代，经过新生代中多次垃圾回收(在Survivor 0和Survivor 1之间来回复制)，存活下来的对象将被转移到老年代。新生代中垃圾回收很频繁，这样多数“短命”的对象将得到及时清理；又由于新生代内存空间通常不大，回收速度也相对较快。在老年代中，存放着从新生代中经历了多次垃圾回收后仍然存活的对象，这些对象相对较少，而老年代内存一般很大，并不容易塞满，因此老年代的垃圾回收频率要远远低于新生代，从而减少了对系统性能的影响。永久代中主要存放Java类本身的数据信息，当Java类不再被使用时，也会被垃圾回收掉。开发者们通常无法预测永久代的大小，导致程序经常出现 “java.lang.OutOfMemoryError: Permgen space”错误，因此在Java 8中，使用jvm进程原生内存空间的Metaspace代替了永久代。在默认情况下，Metaspace将使用jvm进程所有可用的内存。 

 

在新生代进行的GC叫做minor GC，在老年代进行的GC都叫major GC，Full GC同时作用于新生代和老年代。在垃圾回收过程中经常涉及到对对象的挪动（比如上文提到的对象在Survivor 0和Survivor 1之间的复制），进而导致需要对对象引用进行更新。为了保证引用更新的正确性，Java将暂停所有其他的线程，这种情况被称为“Stop-The-World”，导致系统全局停顿。Stop-The-World对系统性能存在影响，因此垃圾回收的一个原则是尽量减少“Stop-The-World”的时间。

 

 

 

 

上图展示了不同垃圾收集器的Stop-The-World情况，可以看出Serial、Parallel和CMS收集器均存在不同程度的Stop-The-Word情况；而即便是最新的G1收集器也不例外。

 

 

（二）垃圾回收算法

 

最早的垃圾回收算法有引用计数法，但由于其性能不好以及无法回收循环引用对象的问题，工程上并没有得到使用。当前Java的垃圾回收主要基于标记-清除（Mark-Sweep）算法，该算法大致包括两个步骤：

1. 从GC ROOT对象开始标记所有可达对象，GC ROOT包括局部变量、静态变量及运行中的线程对象等。
2. 清除掉未被标记的对象

标记-清除算法是Java垃圾回收的基本原则，在此基础上，Java还提供了几种变种算法，包括标记-压缩（Mark-Sweep-Compact）算法和标记-复制（Mark-Copy）等。

 

 

标记清除算法（Mark Sweep）

标记清除算法的原理即上文中提到的两个步骤，这种算法的优点是可以减少Stop-The-World的时间，缺点是会造成内存碎片，如下图所示：

 

 

 

 

标记压缩算法（Mark Sweep Compact）

为了解决内存碎片问题，标记压缩算法（如下图所示）在回收内存之后会将存活的对象集体压到内存的一端。压缩过程需要更新对象的引用，如前文所述，这将增加系统Stop-The-World时间。

标记复制算法（Mark Copy）

标记复制算法是一种效率相对较高的算法，因为它不涉及对无用对象的删除，只需要将标记存活的对象从一个内存区拷贝到另一个内存区。但是标记复制算法不适用于存活对象较多的老年代，因为大量的对象拷贝会降低系统性能。Java在新生代中主要采用了标记复制算法，其中包括从Eden区到Survivor区的复制和两个Survivor区之间的复制。

 

 

（三）垃圾收集器

 

在Java中主要有4种垃圾收集器，他们各自对于不同的内存代采用不同的算法。Java会根据当前系统的基本配置确定一个默认的垃圾收集器，你可以通过以下命令查看：

 

java -XX:+PrintCommandLineFlags -version

在笔者的电脑上输出为：

-XX:InitialHeapSize=268435456 -XX:+PrintCommandLineFlags -XX:+UseParallelGC
java version "1.8.0_45"
Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.8.0_45-b14)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.45-b02, mixed mode)

由红色部分可以看出，默认情况下使用了Parallel收集器，这也是多数Java机器（特别是服务器）默认的垃圾收集器。

串行收集器（Serial Collector）

顾名思义，串行收集器指采用单线程进行垃圾回收，回收时会导致长时间的Stop-The-World，主要用于单机程序。该收集器在新生代采用复制算法，在老年代采用标记-压缩算法。可以通过-XX:+UseSerialGC命令行选项激活该收集器。

 

 

并行收集器（Parallel Collector）

该收集器同样在新生代采用复制算法，在老年代采用标记-压缩算法，只是使用了多线程的方式进行垃圾回收，从而大大提高了回收效率，但是回收过程中同时需要Stop-The-World。可以通过-XX:+UseParallelGC激活该收集器。多数情况下，并行收集器是Java的默认收集器。

 

 

并发标记清除收集器（Concurrent Mark Sweep Collector,CMS）

该收集器在在新生代中采用复制算法，在老年代采用标记-清除算法（不是标记-压缩）。之所以叫“并发”，是因为在回收过程的某些阶段，回收线程和用户线程同时执行，当然不是整个回收过程都可以和用户线程并行的，该收集器也存在Stop-The-World的时候，只是相比于其他收集器来说Stop-The-World持续时间较少而已。可以通过-XX:+UseConcMarkSweepGC激活该收集器。

 

 

G1收集器（Garbage First Collector）

 G1收集器是Java世界最新的收集器，在Java 9中，它将成为默认的垃圾收集器。该收集器采用与上文中提到的收集器不同方式来对待Java对内存，如下图所示。可以通过-XX:+UseG1GC激活该收集器。