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Java垃圾回收总结

分类: 文章 • 2024-03-21 20:18:04

    在学习GC之前，你首先应该记住一个单词：“stop-the-world”。Stop-the-world会在任何一种GC算法中发生。Stop-the-world意味着 JVM 因为要执行GC而停止了应用程序的执行。当Stop-the-world发生时，除了GC所需的线程以外，所有线程都处于等待状态，直到GC任务完成。GC优化很多时候就是指减少Stop-the-world发生的时间。

垃圾回收常用的算法有3个：

1.Mark-Sweep（标记-清除）算法

这是最基础的垃圾回收算法，之所以说它是最基础的是因为它最容易实现，思想也是最简单的。标记-清除算法分为两个阶段：标记阶段和清除阶段。标记阶段的任务是标记出所有需要被回收的对象，清除阶段就是回收被标记的对象所占用的空间。具体过程如下图所示：

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从图中可以很容易看出标记-清除算法实现起来比较容易，但是有一个比较严重的问题就是容易产生内存碎片，碎片太多可能会导致后续过程中需要为大对象分配空间时无法找到足够的空间而提前触发新的一次垃圾收集动作。

2.Copying（复制）算法

为了解决Mark-Sweep算法的缺陷，Copying算法就被提了出来。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，然后再把已使用的内存空间一次清理掉，这样一来就不容易出现内存碎片的问题。具体过程如下图所示：

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这种算法虽然实现简单，运行高效且不容易产生内存碎片，但是却对内存空间的使用做出了高昂的代价，因为能够使用的内存缩减到原来的一半。

很显然，Copying算法的效率跟存活对象的数目多少有很大的关系，如果存活对象很多，那么Copying算法的效率将会大大降低。

3.Mark-Compact（标记-整理）算法

为了解决Copying算法的缺陷，充分利用内存空间，提出了Mark-Compact算法。该算法标记阶段和Mark-Sweep一样，但是在完成标记之后，它不是直接清理可回收对象，而是将存活对象都向一端移动，然后清理掉端边界以外的内存。具体过程如下图所示：

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上面三种是我们常用的几种算法，不，确切的说是Java垃圾回收常用的几种组合算法。

 在GC里我们用到了上面几种算法

4.Generational Collection（分代收集）算法

分代收集算法是目前大部分JVM的垃圾收集器采用的算法。它的核心思想是根据对象存活的生命周期将内存划分为若干个不同的区域。一般情况下将堆区划分为老年代（Tenured Generation）和新生代（Young Generation），老年代的特点是每次垃圾收集时只有少量对象需要被回收，而新生代的特点是每次垃圾回收时都有大量的对象需要被回收，那么就可以根据不同代的特点采取最适合的收集算法。

目前大部分垃圾收集器对于新生代都采取Copying算法，因为新生代中每次垃圾回收都要回收大部分对象，也就是说需要复制的操作次数较少，但是实际中并不是按照1：1的比例来划分新生代的空间的，一般来说是将新生代划分为一块较大的Eden空间和两块较小的Survivor空间，每次使用Eden空间和其中的一块Survivor空间，当进行回收时，将Eden和Survivor中还存活的对象复制到另一块Survivor空间中，然后清理掉Eden和刚才使用过的Survivor空间。

而由于老年代的特点是每次回收都只回收少量对象，一般使用的是Mark-Compact算法。

注意，在堆区之外还有一个代就是永久代（Permanet Generation），它用来存储class类、常量、方法描述等。对永久代的回收主要回收两部分内容：废弃常量和无用的类。

上面的算法讲完，我们就要来到包含算法的java代码实现------垃圾收集器

二.典型的垃圾收集器

JDK7一共有5种GC类型：

  1. Serial GC
  2. Parallel GC
  3. Parallel Old GC (Parallel Compacting GC)
  4. Concurrent Mark & Sweep GC  (or “CMS”)
  5. Garbage First (G1) GC

其中，Serial GC不应该被用在服务器上。这种GC类型在单核CPU的桌面电脑时代就存在了。使用Serial GC会显著的降低应用的性能指标。
现在，让我们共同学习每一种GC类型

1. Serial GC (-XX:+UseSerialGC)

新生代空间的GC方式我们在前面已经介绍过了，在老年代空间中的GC采取称之为”mark-sweep-compact“的算法。

  1. 算法的第一步是标记老年代中依然存活对象。（标记）
  2. 第二步，从头开始检查堆内存空间，并且只留下依然幸存的对象。（清理）

最后一步，从头开始，顺序地填满堆内存空间，并且将对内存空间分成两部分：一个保存着对象，另一个空着（压缩）。

2. Parallel GC (-XX:+UseParallelGC)

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图 4: Serial GC 与 Parallel GC的区别

从上图中，你可以轻易地看出serial GC和parallel GC的区别，serial GC只使用一个线程执行GC，而parallel GC使用多个线程，因此parallel GC更高效。这种GC在内存充足以及多核的情况下会很有用，因此我们也称之为”throughput GC“。

3. Parallel Old GC(-XX:+UseParallelOldGC)

Parallel Old GC在JDK5之后出现。与parallel GC相比，唯一的区别在于针对老年代的GC算法。Parallel Old GC分为三步：标记-汇总-压缩（mark – summary – compaction）。汇总（summary）步骤与清理（sweep）的不同之处在于，其将依然幸存的对象分发到GC预先处理好的不同区域，算法相对清理来说略微复杂一点。

4. CMS GC (-XX:+UseConcMarkSweepGC)

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图 5: Serial GC & CMS GC

就像你从上图看到的那样, CMS GC比我之前解释的各种算法都要复杂很多。第一步初始化标记（initial mark） 比较简单。这一步骤只是查找那些距离类加载器最近的幸存对象。因此，停顿的时间非常短暂。在之后的并行标记（ concurrent mark ）步骤，所有被幸存对象引用的对象会被确认是否已经被追踪和校验。这一步的不同之处在于，在标记的过程中，其他的线程依然在执行。在重新标记（remark）步骤，会再次检查那些在并行标记步骤中增加或者删除的与幸存对象引用的对象。最后，在并行交换（ concurrent sweep ）步骤，转交垃圾回收过程处理。垃圾回收工作会在其他线程的执行过程中展开。一旦采取了这种GC类型，由GC导致的暂停时间会极其短暂。CMS GC也被称为低延迟GC。它经常被用在那些对于响应时间要求十分苛刻的应用之上。

当然，这种GC类型在拥有stop-the-world时间很短的优点的同时，也有如下缺点：

  •  它会比其他GC类型占用更多的内存和CPU
  •  默认情况下不支持压缩步骤

在使用这个GC类型之前你需要慎重考虑。如果因为内存碎片过多而导致压缩任务不得不执行，那么stop-the-world的时间要比其他任何GC类型都长，你需要考虑压缩任务的发生频率以及执行时间。

5. G1 GC

最后，我们来学习垃圾回收优先（G1）GC类型。

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图 6:  G1 GC的结构

 如果你想要理解G1，首先你要忘记你所学过的新生代和老年代的概念。正如你在上图所看到的，每个对象被分配到不同的格子，随后GC执行。当一个区域装满之后，对象被分配到另一个区域，并执行GC。这中间不再有从新生代移动到老年代的三个步骤。这个类型是为了替代CMS GC而被创建的，因为CMS GC在长时间持续运作时会产生很多问题

内存分配

Java技术体系中所提倡的自动内存管理最终可以归结为自动化的解决2个问题：给对象分配内存以及回收分配给对象的内存。

对象优先在Eden分配

大多数情况下，对象在新生代Eden区分配。当Eden区没有足够的内存时，虚拟机将发起一次Minor GC。

  • Minor GC(新生代GC):指发生在新生代的垃圾收集动作，因为Java对象大多都具备朝生夕灭的特性，所以Minor GC发生的非常频繁。
  • Full GC/Major GC(老年代GC):指发生在老年代的GC，出现了Major GC，经常会伴随至少一次的Minor GC。

大对象直接进老年代

大对象是指需要大量连续内存空间的Java对象（例如很长的字符串以及数组）。

长期存活的对象将进入老年代

JVM为每个对象定义一个对象年龄计数器。

  • 如果对象在Eden出生并经历过第一次Minor GC后仍然存活，并且能够被Survivor容纳，则应该被移动到Survivor空间中，并且年龄对象设置为1；
  • 对象在Survivor区中每熬过一次Minor GC，年龄就会增加1岁，当它的年龄增加到一定程度(默认为15岁，可通过参数-XX:MaxTenuringThreshold设置)，就会被晋升到老年代中。
  • 要注意的是：JVM并不是永远的要求对象的年龄必须达到MaxTenuringThreshold才能晋升老年代，如果在Survivor空间中相同年龄所有对象大小的总和大于Survivor空间的一般，年龄大于等于该年龄的对象就可以直接进入老年代，无需等到MaxTenuringThreshold中要求的年龄。

空间分配担保

  • 在发生Minor GC之前，虚拟机会先检查老年代最大可用的连续空间是否大于新生代所有对象总空间，如果这个条件成立，则进行Minor GC是安全的；
  • 如果不成立，则虚拟机会查看HandlePromotionFailure设置值是否允许担保失败。如果允许，则急促检查老年代最大可用连续空间是否大于历次晋升到老年代对象的平均大小，如果大于，将尝试着进行一次Minor GC，尽管它是有风险的；
  • 如果小于或者HandePromotionFailure设置为不允许冒险，则这时要改为进行一次Full GC.

GC性能方面的考虑

       对于GC的性能主要有2个方面的指标：吞吐量throughput（工作时间不算gc的时间占总的时间比）和暂停pause（gc发生时app对外显示的无法响应）。

1. Total Heap

       默认情况下，vm会增加/减少heap大小以维持free space在整个vm中占的比例，这个比例由MinHeapFreeRatio和MaxHeapFreeRatio指定。

一般而言，server端的app会有以下规则：

  • 对vm分配尽可能多的memory；
  • 将Xms和Xmx设为一样的值。如果虚拟机启动时设置使用的内存比较小，这个时候又需要初始化很多对象，虚拟机就必须重复地增加内存。
  • 处理器核数增加，内存也跟着增大。

2. The Young Generation

       另外一个对于app流畅性运行影响的因素是young generation的大小。young generation越大，minor collection越少；但是在固定heap size情况下，更大的young generation就意味着小的tenured generation，就意味着更多的major collection(major collection会引发minor collection)。

       NewRatio反映的是young和tenured generation的大小比例。NewSize和MaxNewSize反映的是young generation大小的下限和上限，将这两个值设为一样就固定了young generation的大小（同Xms和Xmx设为一样）。

       如果希望，SurvivorRatio也可以优化survivor的大小，不过这对于性能的影响不是很大。SurvivorRatio是eden和survior大小比例。

一般而言，server端的app会有以下规则：

  • 首先决定能分配给vm的最大的heap size，然后设定最佳的young generation的大小；
  • 如果heap size固定后，增加young generation的大小意味着减小tenured generation大小。让tenured generation在任何时候够大，能够容纳所有live的data（留10%-20%的空余）。

经验&&规则

  1. 年轻代大小选择
    • 响应时间优先的应用:尽可能设大,直到接近系统的最低响应时间限制(根据实际情况选择).在此种情况下,年轻代收集发生的频率也是最小的.同时,减少到达年老代的对象.
    • 吞吐量优先的应用:尽可能的设置大,可能到达Gbit的程度.因为对响应时间没有要求,垃圾收集可以并行进行,一般适合8CPU以上的应用.
    • 避免设置过小.当新生代设置过小时会导致:1.YGC次数更加频繁 2.可能导致YGC对象直接进入旧生代,如果此时旧生代满了,会触发FGC.
  2. 年老代大小选择
    1. 响应时间优先的应用:年老代使用并发收集器,所以其大小需要小心设置,一般要考虑并发会话率和会话持续时间等一些参数.如果堆设置小了,可以会造成内存碎 片,高回收频率以及应用暂停而使用传统的标记清除方式;如果堆大了,则需要较长的收集时间.最优化的方案,一般需要参考以下数据获得:
      并发垃圾收集信息、持久代并发收集次数、传统GC信息、花在年轻代和年老代回收上的时间比例。
    2. 吞吐量优先的应用:一般吞吐量优先的应用都有一个很大的年轻代和一个较小的年老代.原因是,这样可以尽可能回收掉大部分短期对象,减少中期的对象,而年老代尽存放长期存活对象.
  3. 较小堆引起的碎片问题
    因为年老代的并发收集器使用标记,清除算法,所以不会对堆进行压缩.当收集器回收时,他会把相邻的空间进行合并,这样可以分配给较大的对象.但是,当堆空间较小时,运行一段时间以后,就会出现"碎片",如果并发收集器找不到足够的空间,那么并发收集器将会停止,然后使用传统的标记,清除方式进行回收.如果出现"碎片",可能需要进行如下配置:
    -XX:+UseCMSCompactAtFullCollection:使用并发收集器时,开启对年老代的压缩.
    -XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=0:上面配置开启的情况下,这里设置多少次Full GC后,对年老代进行压缩
  4. 用64位操作系统，Linux下64位的jdk比32位jdk要慢一些，但是吃得内存更多，吞吐量更大
  5. XMX和XMS设置一样大，MaxPermSize和MinPermSize设置一样大，这样可以减轻伸缩堆大小带来的压力
  6. 使用CMS的好处是用尽量少的新生代，经验值是128M－256M， 然后老生代利用CMS并行收集， 这样能保证系统低延迟的吞吐效率。 实际上cms的收集停顿时间非常的短，2G的内存， 大约20－80ms的应用程序停顿时间
  7. 系统停顿的时候可能是GC的问题也可能是程序的问题，多用jmap和jstack查看，或者killall -3 java，然后查看java控制台日志，能看出很多问题。(相关工具的使用方法将在后面的blog中介绍)
  8. 仔细了解自己的应用，如果用了缓存，那么年老代应该大一些，缓存的HashMap不应该无限制长，建议采用LRU算法的Map做缓存，LRUMap的最大长度也要根据实际情况设定。
  9. 采用并发回收时，年轻代小一点，年老代要大，因为年老大用的是并发回收，即使时间长点也不会影响其他程序继续运行，网站不会停顿
  10. JVM参数的设置(特别是 –Xmx –Xms –Xmn -XX:SurvivorRatio  -XX:MaxTenuringThreshold等参数的设置没有一个固定的公式，需要根据PV old区实际数据 YGC次数等多方面来衡量。为了避免promotion faild可能会导致xmn设置偏小，也意味着YGC的次数会增多，处理并发访问的能力下降等问题。每个参数的调整都需要经过详细的性能测试，才能找到特定应用的最佳配置。


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