深入理解Java虚拟机 - 垃圾收集算法与垃圾收集器

1. 垃圾收集算法

 

    JVM的垃圾收集算法在不同的JVM实现中有所不同，且在平时工作中一般不会深入到收集算法，因此只对算法做较为简单的介绍。

 

    1.1 标记-清除算法

 

        这种算法是非常直观的，也是最为基础的收集算法（Mark-Sweep）算法，这种算法将回收分为两个阶段：首先标记所有需要回收的对象，然后在完成标记后统一回收掉被标记的对象。这种算法是如此的基础，以至于后面的算法都是基于该思路，并对其确定进行改进所得的。

 

        这种算法的缺点主要有两个：

 

        1. 效率较低，整个回收过程分为标记-回收两个阶段

 

        2. 内存碎片，标记清除之后存在较多内存碎片，可能导致需要连续的较大的内存空间时，没有满足需要的内存空间，从而不得不导致另外一次GC。

 

       

 

    1.2 复制算法

 

        为了解决效率问题，复制算法出现了，其将内存划分为容量相等的两块，每次只使用其中一块。当一块的内存用完了，就将活着的对象复制到另外的内存块上，然后把使用过的空间一次清理掉。这样只对一块内存空间进行回收，相当的高效。

 

        但这种算法的问题是将实际可用内存的大小缩小了一般，在内存价格还相当昂贵的今天，代价有些太高了。

 

       

 

    现在的商业虚拟机都使用此种算法来回收新生代，根据IBM研究表明，新生代中98%的对象是朝生夕死的，所以并不需要按照1:1来划分内存空间，而是将新生代划分为一块较大的Eden和两块较小的Survivor空间，每次使用Eden和其中一块Survivor。

    回收时，将Eden和Survivor中存活的对象一次性复制到另外的Survivor空间，并清理掉Eden和Survivor空间。这样，可以减少浪费至10%，当survivor空间不够时，需要老年代进行分配担保（Handle Promotion，如果另一个Survivor没有足够空间，则存放到老年代）。

 

    1.3 标记 - 整理算法

 

        复制算法在存货对象较多时需要执行大量的复制操作，这对老年代来说是不合适的，因此有人就提出了标记-整理算法，过程与标记-清除算法一样，但后续步骤不是对可回收对象进行清理，而是让所有的对象都向一端移动，然后直接清理掉边界之外的内存。

 

       

 

        1.4 分代收集算法

 

            当前的商业虚拟机均使用分代收集算法，将对象按照存活周期分为几块，一般将Java堆分为新生代与老年代，从而可以根据不同年代的特点使用不同的收集算法。

 

            如新生代中存在大量死去的对象，只有少量存活，使用复制算法；老年代中因存活对象数量多，且没有额外空间，因此需要采用标记 - 清除或 标记 - 清理算法。

 

2. 垃圾收集器

 

    垃圾收集器是垃圾收集算法的具体实现，Java虚拟机对垃圾收集器如何实现并未做规定，因此不同厂商会有各自的垃圾收集器。如HotSpot虚拟机中的收集器如下所示，其中存在连线的收集器即可搭配使用。

 

    但现在没有最好的收集器，都需要根据具体环境来选择。

 

   

 

    2.1 Serial收集器

 

        串行收集器是最为基本的收集器，它是单线程的，而且在运行时，会停掉其他所有的工作线程（Stop the world），直到其收集结束。在实际应用中，用户很难忍受程序运行暂停。

 

        人们在努力的减少收集器的停顿时间，但没有办法完全消除，虽然Serial收集器有着种种缺点，但其简单而高效，对于Client型应用，其仍是新生代默认的收集器（桌面应用，内存小且停顿时间可忍受）。

 

    2.2 ParNew收集器

 

        ParNew收集器是Serial收集器的多线程版本，且加入了多个控制参数，并与Serial公用相当多的代码

 

        ParNew除了多线程之外，与其他Serial收集器相比并没有太多创新，但其却是许多运行在Server模式下虚拟机首选的新生代收集器，主要是由于它可以通CMS收集器相配合使用。

 

        在单CPU环境下，ParNew性能甚至不如Serial收集器（线程交互开销），但随着CPU数目上升，对于其收集效率还是很有提升的。

 

    2.3 Parallel Scavenge收集器

 

        新生代收集器，使用复制算法，其关注点在于控制吞吐量（Throughout，CPU用于运行用户代码与CPU总消耗时间的比值），主要适用于后台运算而不太关注用户交互的场合

 

    2.4 Serial Old收集器

 

        是Serial收集器的老年代版本，单线程，使用标记-清理算法

 

    2.5 Parallel Old收集器

 

        是Parallel Scavege收集器的老年代版本，使用多线程和”标记-整理“算法

 

    2.6 CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器

 

        是一种以获取最短停顿时间为目标的收集器，常应用于重视服务响应速度的场景。其基于标记-清除算法。

 

        CMS收集器对CPU资源非常敏感，在并发阶段，虽然不会导致程序停顿，但由于占用了部分CPU资源，导致应用程序变慢，总的吞吐量变低。

        

        CMS无法处理浮动垃圾，可能出现”Concurrent Mode Failure“而导致另外一次Full GC的产生，这是由于在GC过程中，程序仍然运行，会不断产生垃圾所致

 

        CMS可能在收集结束后产生大量碎片，当碎片数量过多时，将会给大对象的分配带来困难

 

    2.7 G1收集器

 

        G1（Garbage First）收集器是最新的GC 收集器，其基于标记 - 整理算法，并且可以非常精确的控制停顿

 

        

    2.8 垃圾收集器总结

 

            没有完美的垃圾收集器，需要根据应用的实际情况进行选择和调优，有时候需要选择不同的收集器，有时需要选择收集器的参数

        

3. 内存分配与回收策略

 

    3.1 对象有优先在Eden区分配，如果没有足够空间，则会发起一次Minor GC -XX:SurvivorRatio=8决定一个新生代Eden与Survivor区比例为8:1

 

        其中新生代GC称为Minor GC，其发生非常频繁，速度也快

 

        其中老年代的GC称为Major GC，比Minor GC慢10倍以上

 

    3.2 大对象直接进入老年代

 

    3.3 长期存活的对象进入老年代（有相应的年龄计数器，活过一次GC则+1）

 

4. 总结

 

    内存回收与垃圾收集器在很多时候都影响系统性能、并发能力的主要因素，虚拟机有大量参数可供调节，只有根据实际需求、实现方式选择最优的收集方式才能获取最优的性能。没有固定收集器-算法的组合，也没有最优的调优方法，需要通过实践去逼近最高性能。