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深入理解JVM学习笔记——第三章 垃圾回收器与内存分配策略

发表于: 2013-07-30   作者:bsr1983   来源:转载   浏览次数:
摘要: 注:本系列文章均摘录自《深入理解Java虚拟机:JVM高级特性与最佳实践》,作者周志明,我看的是第一版,现在第二版已经出了,   第三章 垃圾回收器与内存分配策略 3.1概述     1960年诞生于MIT的Lisp是第一门真正使用内存动态分配和垃圾收集技术的语言。 3.2对象已死 3.2.1 引用计数算法     给
注:本系列文章均摘录自《深入理解Java虚拟机:JVM高级特性与最佳实践》,作者周志明,我看的是第一版,现在第二版已经出了,
 
第三章 垃圾回收器与内存分配策略
3.1概述
    1960年诞生于MIT的Lisp是第一门真正使用内存动态分配和垃圾收集技术的语言。
3.2对象已死
3.2.1 引用计数算法
    给对象中添加一个引用计数器,每当有一个地方引用它时,计数器值就加1;当引用失效时,计数器值就减1;任何时刻,计数器都为0的对象就是不可能再被使用的。
3.2.2 根搜索算法
    在主流的商业程序语言中(Java和C#、Lisp)都是使用根搜索算法(GC Root Tracing)判断对象是否存活的。
    这个算法的基本思路就是通过一系列名为“GC Roots”的对象作为起点,从这些起点开始向下搜索,搜索所走过的路径称为引用链(Reference Chain),当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连(用图论的话来说就是从GCRoots到这个对象不可达)时,则证明此对象是不可用的。
    在Java语言里,可作为GC Roots的对象包括下面几种:
    (1)虚拟机栈(栈帧中的本地变量表)中的引用的对象。
    (2)方法区中的类静态属性引用的对象
    (3)方法区中的常量引用的对象
    (4)本地方法栈中JNI(即一般说的Native方法)的引用的对象。
3.2.3 再谈引用
    在JDK1.2之后,Java对引用的概念进行了扩充,将引用分为强引用(Strong Reference)、软引用(Soft Reference)、弱引用(Weak Reference)、虚引用(Phantom Reference)四种,这四种引用强度依次逐渐减弱。
    (1)强引用就是指在程序代码之中普遍存在的,类似“Object obj=new Object()”这类的引用,只要强引用还存在,垃圾收集器永远不会回收掉被引用的对象。
    (2)软引用用来描述一些还有用,但并非必需的对象。对于软引用关联着的对象,在系统将要发生内存溢出异常之前,将会把这些对象列进回收范围之中,并进行第二次回收,如果这次回收还是没有足够的内存,才会抛出内存溢出异常。在JDK1.2之后,提供了SoftReference类来实现软引用。
    (3)弱引用也是用来描述非必需对象的,但是它的强度比软引用更弱一些,被弱引用关联的对象只能生存到下一次垃圾收集发生之前。当垃圾收集器工作时,无论当前内存是否足够,都会回收掉只被弱引用关联的对象。在JDK1.2之后,提供WeakReference类来实现弱引用。
    (4)虚引用也称为幽灵引用或者幻影引用,它是最弱的一种引用关系。一个对象是否有虚引用的存在,完全不会对其生存时间构成影响,也无法通过虚引用来取得一个对象实例。为一个对象设置虚引用关联的唯一目的就是希望在这个对象被收集器回收时收到一个系统通知。在JDK1.2之后,提供了PhantomReference类来实现虚引用。
3.2.4 生存还是死亡?
    在根搜索算法中不可达的对象,也并非是“非死不可”的,这时候他们暂时处于“缓刑”阶段,要真正宣告一个对象死亡,至少要经历两次标记过程:如果对象在进行根搜索后发现没有与GC Roots相连接的引用链,那它将会被第一次标记并且进行一次筛选,筛选条件是此对象是否有必要执行finalize()方法。当对象没有覆盖finalize()方法或者finalize()方法以及被虚拟机调用过,虚拟机将这两种情况都视为“没有必要执行”。
    如果这个对象被判定为有必要执行finalize()方法,那么这个对象将会被放置在一个名为F-Queue的队列之中,并在稍后由一条由虚拟机自动建立的、低优先级的Finalizer线程去执行。这里所谓的“执行”是指虚拟机会触发这个方法,但并不承诺会等待他执行结束。
3.2.5 回收方法区
    在堆中,尤其是在新生代中,常规应用进行一次垃圾收集一般可以回收70%~90%的空间,而永久代的垃圾收集效率远低于此。
    永久代的垃圾收集主要回收两部分内容:废弃常量和无用的类。
    类需要同时满足下面3个条件才能算是“无用的类”
    (1)该类所有的实例都已经被回收,也就是Java堆中不存在该类的任何实例。
    (2)加载该类的ClassLoader已经被回收。
    (3)该类对应的java.lang.Class对象没有在任何地方被引用,无法在任何地方通过反射访问该类的方法。
    是否对类进行回收,HotSpot虚拟机提供了-Xnoclassgc参数进行控制,还可以使用-verbose:class和-XX:+TraceClassLoading 、-XX:+TraceClassUnLoading 查看类的加载和卸载信息。
3.3垃圾收集算法
3.3.1 标记-清除 算法
    最基础的收集算法是“标记-清除”(Mark-Sweep)算法,算法分为“标记”和“清除”两个阶段:首先标记出所有要回收的对象,在标记完成后统一回收掉所有被标记的对象。
    主要缺点:一个是效率问题,标记和清除过程中的效率都不高;另外一个是空间问题,标记清除之后会产生大量不连续的内存碎片,空间碎片太多可能会导致,当程序在以后的运行过程中需要分配较大对象时无法找到足够的连续内存空间而不得不提前触发另一次垃圾收集动作。
3.3.2 复制算法
    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,就将存活着的对象复制到另外一块上面,然后再把已使用过的内存空间一次清理掉。
    将内存分为一块较大的Eden空间和两块较小的Survivor空间,每次使用Eden和其中一块Survivor。当回收时,将Eden和Survivor中还存活着的对象一次性地拷贝到另外一块Survivor空间上,最后清理掉Eden和刚才用过的Survivor的空间。HotSpot虚拟机默认的Eden和Survivor的大小比例是8:1,也就是每次新生代中可用的内存容量为新生代容量的90%,只有10%的内存是会被”浪费“的。
3.3.3 标记-整理算法
    根据老年代的特点,有人提出了另外一种”标记-整理“(Mark-Compact)算法,标记过程仍然与”标记-清除“算法一样,但后续步骤不是直接对可回收对象进行整理,而是让所有存活的对象都向一端移动,然后直接清理掉端边界以外的内存。
3.3.4 分代收集算法
    当前商业虚拟机的垃圾收集都采用”分代收集“(Generational Collection)算法,根据对象的存活周期的不同将内存划分为几块。一般是把Java堆分为新生代和老年代,这样就可以根据各个年代的特点采用最适当的收集算法。
3.4 垃圾收集器
3.4.1 Serial收集器
    这个收集器是一个单线程收集器,但它的”单线程“的意义并不仅仅是说明它只会使用一个CPU或一条收集线程去完成垃圾收集工作,更重要的是在它进行垃圾收集时,必须暂停其他所有的工作线程(Sun 将这件事情称之为”Stop The World“),直到它收集结束。
    它现在依然是虚拟机运行在Client模式下的默认新生代收集器。
3.4.2 ParNew收集器
    ParNew收集器其实就是Serial收集器的多线程版本,除了使用多条线程进行垃圾收集之外,其余行为包括Serial收集器可用的所有控制参数、收集算法、Stop World、对象分配规则、回收策略等都和Serial收集器完全一样,实现上这两种收集器也共用了相当多的代码。
    它是许多运行在Server模式下的虚拟机中首选的新生代收集器,其中有一个与性能无关但很重要的原因是,除了Serial收集器外,目前只有它能与CMS收集器配合工作。
    CMS作为老年代的收集器,却无法与JDK1.4.0中已经存在的新生代收集器Paraller Scavenge配合工作,所以在JDK1.5中使用CMS来收集老年代的时候,新生代只能选择ParNew或Serial收集器中的一个。ParNew收集器也是使用-XX:+UseConcMarkSweepGC选项后默认的新生代收集器,也可以使用-XX:+UseParNewGC选项来强制指定它。
    ParNew默认开启的收集线程数与CPU的数量相同,在CPU非常多的环境下,可以使用-XX:ParallelGCThreads参数来限制垃圾收集的线程数。
    (1)并行(Parallel):指多条垃圾收集线程并行工作,但此时用户线程仍处于等待状态。
    (2)并发(Concurrent):指用户线程与垃圾收集线程同时执行(但不一定是并行的,可能会交替执行),用户程序继续运行,而垃圾收集程序运行于另一个CPU上。
3.4.3 Parallel Scavenge收集器
    Parallel Scavenge 收集器也是一个新生代收集器,它的目标是达到一个可控制的吞吐量(Throughput)。所谓吞吐量就是CPU用于运行用户代码的时间与CPU总消耗时间的比值,即吞吐量=运行用户代码时间/(运行用户代码时间+垃圾收集时间),虚拟机总共运行了100分钟,其中垃圾收集花掉1分钟,那吞吐量就是99%。
    Parallel Scavenge提供了两个参数用于精确控制吞吐量,分别是控制最大垃圾收集停顿时间的-XX:MaxGCPauseMillis参数及直接设置吞吐量大小的-XX:GCTimeRatio参数。
    MaxGCPauseMillis参数允许的值是一个大于0的毫秒数,收集器将尽力保证内存回收花费的时间不超过设定值。
    GCTimeRatio参数的值应当是一个大于0小于100的整数,也就是垃圾收集时间占总时间的比率,相当于是吞吐量的倒数。
    Parallel Scavenge中还有另外一个参数-XX:UseAdaptiveSizePolicy值得关注,这是一个开关参数,当这个参数打开之后,就不需要手工指定新生代的大小(-Xmn)、Eden与Survivor区的比例(-XX:SurvivorRatio)、晋升老年代对象年龄(-XX:PretenureSizeThreshold)等细节参数了,虚拟机会根据当前系统的运行情况收集性能监控信息,动态调整这些参数以提供最合适的停顿时间或最大的吞吐量,这种调节方式成为GC自适应的调节策略(GC Ergonomics)。
3.4.4 Serial Old收集器
    Serial Old是Serial收集器的老年代版本,它同样是一个单线程收集器,使用”标记-整理“算法。这个收集器的主要意义也是被Client模式下的虚拟机使用。如果在Server模式下,它主要还有两大用途:一个是在JDK1.5及之前版本中与Parallel Scavenge收集器搭配使用,另外一个就是作为CMS收集器的后备预案,在并发收集发生Concurrent Mode Failure的时候使用。
3.4.5 Parallel Old
    Parallel Old是Parallel Scavenge收集器的老年代版本,使用多线程和”标记-整理“算法。这个收集器是在JDK1.6中才提供的。在注重吞吐量及CPU资源敏感的场合,都可以优先考虑Parallel Scavenge加Parallel Old收集器。
3.4.6 CMS收集器
    CMS(Concurrent Mark Sweep)收集器是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器。
    CMS收集器是基于”标记-清除“算法实现的,它的运作过程相对于前面几种收集器来说要更复杂一些,整个过程分为4个步骤,包括:
    (1)初始标记(CMS initial mark)
    (2)并发标记(CMS concurrent mark)
    (3)重新标记(CMS remark)
    (4)并发清除(CMS concurrent sweep)
    其中初始标记、重新标记这两个步骤仍然需要”Stop The World“。初始标记只是标记一下GC Roots能直接关联到的对象,速度很快,并发标记阶段就是进行GC Roots Tracing的过程,而重新标记阶段则是为了修正并发标记期间,因用户程序继续运作而导致标记产生变动的那一部分对象的标记记录,这个阶段的停顿时间会比初始标记稍长一些,但远比并发标记的时间短。
    CMS主要的三个缺点:
    (1)CMS收集器对CPU资源非常敏感。CMS默认启动的回收线程数是(CPU数量+3)/4,也就是当CPU在4个以上时,并发回收时垃圾收集线程最多占用不超过25%的CPU资源。
    (2)CMS收集器无法处理浮动垃圾(Floating Garbage),可能出现”Concurrent Mode Failure“失败而导致另一次Full GC的产生。由于CMS并发清理阶段用户线程还在运行着,伴随程序的运行自然还会有新的垃圾不断产生,这部分垃圾出现在标记过程之后,CMS无法在本次收集中处理掉它们,只好留待下一次GC时再将其清理掉。这一部分垃圾就称为”浮动垃圾“。
    在默认设置下,CMS收集器在老年代使用了68%的空间后就会被激活,这是一个偏保守的设置,如果在应用中老年代增长不是太快,可以适当调高参数-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction的值提高触发百分比,以便降低内存回收次数以获取更好的性能。
    (3)CMS是一款基于”标记-清除“算法实现的收集器,收集结束会产生大量的空间碎片。CMS收集器提供了一个-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection开关参数,用于在”享受“完Full GC服务后额外免费附送一个碎片整理过程,内存整理的过程是无法并发的。虚拟机设计者们还提供了另外一个参数-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction来设置执行多少次不压缩的Full GC之后,跟着来一次压缩的。
3.4.7 G1收集器
    G1收集器是基于”标记-整理“算法实现的收集器,也就是说它不会产生空间碎片,这对于长时间运行的应用系统来说非常重要。它可以非常精确地控制停顿,既能让使用者明确指定在一个长度为M毫秒的时间片段内,消耗在垃圾收集上的时间不超过N毫秒。
    G1将整个Java堆(包括新生代、老年代)划分为多个大小固定的独立区域(Region),并且跟着这些区域里面的垃圾堆积程度,在后台维护一个优先列表,每次根据允许的收集时间,优先回收垃圾最多的区域(这就是Garbage First名称的来由)。区域划分及有优先级的区域回收,保证了G1收集器在有限的时间内可以获得最高的收集效率。
3.4.8 垃圾收集器参数总结
3.5 内存分配与回收策略
    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地解决了两个问题:给对象分配内存以及回收分配给对象的内存。
    对象的内存分配,往大方向上讲,就是在堆上分配(但也可能经过JIT编译后被拆散为标量类型并间接地在栈上分配),对象主要分配在新生代的Eden区上,如果启动了本地线程分配缓存,将按照线程优先在TLAB上分配。少数情况下也可能会直接分配在老年代中,分配的规则并不是百分之百固定的,其细节取决于当前使用的是哪一种垃圾收集器组合,还有虚拟机中与内存相关的参数的设置。
3.5.1 对象优先在Eden
    大多数情况下,对象在新生代Eden区中分配。当Eden区没有足够的空间进行分配时,虚拟机将发起一次Minor GC。
    虚拟机提供了-XX:+PrintGCDetails这个收集器日志参数,告诉虚拟机在发生垃圾收集行为时打印内存回收日志,并且在进程退出的时候输出当前内存各区域的分配情况。在实际应用中,内存回收日志一般是打印到文件后通过日志工具进行分析。
    Minor GC和Full GC的区别:
    (1)新生代GC(Minor GC):只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非常频繁,一般回收速度也比较快。
    (2)老年代GC(Major GC/Full 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(但非绝对的,在ParallelScavenge收集器的收集策略里就有直接进行Major的策略选择过程)。Major GC的速度一般会被Minor GC的速度慢10倍以上。
3.5.2 大对象直接进入老年代
    所谓大对象就是指,需要大量练习内存空间的Java对象,最典型的大对象就是那种很长的字符串及数组。大对象对虚拟机的内存分配来说就是一个坏消息(替Java虚拟机抱怨一句,比遇到一个大对象更坏的消息就是遇到一群”朝生夕灭“的”短命大对象“,写程序的时候应当避免),经常出现大对象容易导致内存还有不少空间时就提前触发垃圾收集以获取足够的连续空间来”安置“它们。
    虚拟机提供了一个-XX:PretenureSizeThreshold参数,令大于这个设置值的对象直接在老年代中分配。这样做的目的是避免在Eden区及两个Survivor区之间发生大量的内存拷贝。
    注意:PretenureSizeThreshold参数支队Serial和ParNew两款收集器有效,Parallel Scavenge收集器不认识这个参数,Parallel Scavenge收集器一般并不需要设置。如果遇到必须使用此参数的场合,可以考虑ParNew加CMS的收集器组合。
3.5.3 长期存活的对象将进入老年代
    为了使Java虚拟机在内存回收时能识别哪些对象应当放在新生代,哪些对象应放在老年代中,虚拟机给每个对象定义了一个对象年龄(Age)计数器。如果对象在Eden出生并经过第一次Minor GC后仍然存活,并且能被Survivor容纳的话,将被移动到Survivor空间中,并将对象年龄设为1。对象在Survivor区中每熬过一次Minor GC,年龄就增加1岁,当它的年龄增加到一点程度(默认为15岁时),就会被晋升到老年代中。对象晋升为老年代的年龄阈值,可以通过-XX:MaxTenuringThreshold来设置。
3.5.4 动态对象年龄判断
    为了能更好地适应不同程序的内存状况,虚拟机并不总是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的总和大于Survivor空间的一半,年龄大于或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。
3.5.5 空间分配担保
    在发送Minor GC时,虚拟机会检测之前每次晋升到老年代的平均大小是否大于老年代的剩余空间大小,如果大于,则改为直接进行一次Full GC。如果小于,则查看HandlePromotionFailure设置是否允许担保失败;如果允许,那只会进行Minor GC,如果不允许,则也要改为进行一次Full GC。

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