Java垃圾收集原理

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“ Garbage collection ( GC ) is a form of automatic memory management . The garbage collector , or just collector , attempts to reclaim garbage , or memory occupied by objects that are no longer in use by the program ” - Wikipedia

自动内存管理年代还有必要学习和了解 GC ？

垃圾收集器做什么？释放非存活对象占据的内存空间管理内存，决定了内存分配机制

垃圾收集器如何做？检测出垃圾对象直接方式：引用计数间接方式 : 追踪对象引用图回收垃圾对象所占用的内存空间直接清除压缩拷贝必须决定什么时候进行回收

垃圾算法的基本要求必须是安全的，存活数据不能被错误回收应该是全面的，垃圾对象会在固定的收集周期被回收应该有合理的开销，时间 / 空间 / 运行频率尽可能少的内存碎片应该是可扩展的，不会成为可扩展瓶颈

常用的 GC 算法和策略引用计数器（渐进式）标记 - 清扫垃圾收集节点复制垃圾收集标记 - 缩并垃圾收集分代垃圾收集并发垃圾收集分布式垃圾收集自适应动态垃圾收集

引用计数器 Pros 实现简单，能快速判断对象是否在使用交织在程序中执行，不会挂起应用 Cons 无法处理循环引用给程序执行带来额外的开销与用户程序紧密的耦合

标记 - 清扫算法 Pros 非常自然的处理环形结构操纵指针没有额外的开销 Cons 停止 - 启动算法， STW 问题内存碎片问题渐进复杂度正比与堆的大小

节点复制算法 Scavenger 清道夫，从垃圾中捡起有价值的并带走 Pros 所有存活的数据都缩并的排列在一起无内存碎片，能够高效的分配对象 Cons 使用两个半区，存储容量加倍重复拷贝性能随着内存占用率提高而下降，复杂度正比于存活数据结构的大小，而不是堆的大小

标记 - 缩并算法缩并方式任意的 / 线性的 / 滑动的 Pros 不需要占用额外空间 Cons 缩并带来性能损失渐进复杂度类似与节点复制算法

分代式垃圾收集器 Weak generational hypothesis 理论大部分对象都是短暂的，生命周期很短只有很少的长生命对象会引用短生命对象把工作集中在回收最有可能是垃圾的对象上 Pros 不同的分代可以使用不同的算法和不同的搜集频率，能减少垃圾收集的整体开销 Cons 如果根集合巨大分代间引用以及占位垃圾问题

分代式垃圾收集器需要合理设置提升策略和提升阀值提升太快 Major GC 占位垃圾和庇护现象程序的局部性有负面影响，工作集稀疏增大写拦截器的开销自适应提升策略在缩短中断时间和占位垃圾之间进行折衷调度策略隐藏在用户最不注意到时刻最多垃圾时触发

渐进式和并发收集器三色标记已访问需重访问未访问 Pros 大幅缩短垃圾收集带来的中断时间 Cons 吞吐量，垃圾收集总耗时上升 “ 多个读，多个写”一致性问题，需要和用户程序同步，漂浮垃圾问题需提前进行收集，可能并发收集失败

自适应垃圾收集算法监视服务器和应用情况，自动调整和选择合适的收集算法 JAVA 中的 Eronomic

Java 基于分代策略每个分代可以使用不同的垃圾收集器

Java 基于分代垃圾收集策略

Java 中如何检测垃圾对象的？找到 GC Root 集合本地变量和局部变量引用的对象方法区中类静态属性引用的对象方法区中常量引用的对象本地方法栈中 JNI 所引用的对象跨分区引用的对象，分代间引用引用对象被提升被重新赋值指向新生分代对象

Java 中如何检测垃圾对象的？写拦截器 Write-barrier Dirty Card JVM 维护一个 dirty cards 表每 512 byte 内存页关联到一个 dirty card 内存页发生变化，则标记 dirty page GC 完成，重设 dirty card Snapshot-at-the-beginning (SATB) G1

Java 中如何检测垃圾对象的？根据对象存活状态（ Reachable ）标记出垃圾对象强引用软引用（ SoftReference ） -XX:SoftRefLRUPolicyMSPerMB 弱引用 (WeakReference) 可复活对象被 finalize 方法复活 ( 需两遍扫描 ) 虚引用 (PhantomReference) 对象被回收时得到系统通知　 ReferenceQueue 不可达对象

垃圾清扫阶段释放被占用的垃圾非压缩，直接释放清道夫复制滑动缩并

新对象分配直接分配在新生代 Eden 或 TLAB TLAB thread local allocation block -XX:+PrintTLAB -XX:+UseTLAB -XX:+ResizeTLAB -XX:TLABSize=<size> -XX:MinTLABSize=<size> 大对象和大数组直接分派在旧生代 -XX:PretenureSizeThreshold= n 如果对象大于 Eden 大小堆外分配 DirectByteBuffer Unsafe.allocateMemory -XX:MaxDirectMemorySize=<value>

对象提升策略 -XX:+AlwaysTenure ，直接从新生代到旧生代 Survivor 区域满后，其他存活对象提升对象已经存活一定次数的收集周期 – XX:MaxTenuringThreshold – XX:TargetSurvivorRatio

垃圾收集器性能度量指标吞吐量 throughput 没有花在 GC 上的时间百分比，比如 GC 花了 1% 的时间，那么吞吐量是 99% GC 负载 GC Overhead 停顿时间 pause Time 新生代暂停时间 = 栈扫描时间 +DirtyCard 扫描时间 + 旧生代扫描时间 + 存活对象赋值时间垃圾收集器执行的频率内存大小 Footprint 敏捷性 Promptness 对象变成垃圾和此块内存可以被利用的时间

Java 提供 4 种类型的 GC Serial Collector – XX :+UseSerialGC Parallel Collector – XX:+UseParallelGC Parallel Compacting Collector(1.5R6) – XX:+UseParallelOldGC CMS Collector – XX:+UseConcMarkSweepGC

串行收集器 STW – XX:+UseSerialGC 新生代使用串行 GC 旧生代和持久代也使用串行 GC 适用于小内存客户端应用

并行收集器 STW – XX:+UseParallelGC Parallel 新生代使用并行复制收集算法旧生代使用并行压缩 mark-sweep-compacting – XX:+UseParallelOldGC – XX:ParallelGCThreads= n

并发收集器过程 Initial mark ,STW, 收集 GC Roots 栈新生代对象应用旧生代对象速度依赖于新生代存活对象的多少 – XX:CMSWaitDuration= n Concurrent Mark ，标记存活对象 Concurrent pre clean, 统计被改变的引用 Remark ， STW ，重新标记被改变的引用 – XX:+CMSScavengeBeforeRemark // 强制新生代 GC Concurrent sweep Concurrent reset

并发收集器 – XX:+UseConcMarkSweepGC 不会压缩堆，不同大小碎片有各自的 free memory list – XX:+CMSIncrementalMode – XX:ParallelGCThreads=n 何时触发最好在新生代 GC 之后 ‑ XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly = ‑ XX:+ExplicitGCInvokesConcurrent 导致 Full 　 GC 并行模式问题 Concurrent mode failure 正在执行 CMS ，但是没有足够的空间分配给新对象提升失败问题 Promotion failure 提升的对象太多，旧生代放不下

并发收集器针对多核优化参数 ‑ XX:+CMSConcurrentMTEnabled 并发阶段使用多核 ‑ XX:+ConcGCThreads= ‑ XX:+ParallelGCThreads= STW 阶段并行线程数目，默认 CPU 数目 ‑ XX:+UseParNewGC 新生代使用并行复制算法限制对 CPU 资源敏感漂浮垃圾问题内存碎片问题 ‑ XX:+UseCMSCompactAtFullCollection ‑ XX:+CMSFullGcsBeforeCompaction =

Garbge First G1 （ jdk16.R14 ）基于标记 - 压缩算法可以精准的控制暂停时间将 Heap 分为多个大小的独立区域 G1 维护优先列表，检测哪个区域内存使用最快，然后仅仅收集此区域清除空区域代价很小复制小数量的对象很快

GC 组合 Young collector Old collector JVM option Serial (DefNew) Serial Mark-Sweep-Compact -XX:+UseSerialGC Parallel scavenge (PSYoungGen) Serial Mark-Sweep-Compact (PSOldGen) -XX:+UseParallelGC Parallel scavenge (PSYoungGen) Parallel Mark-Sweep-Compact (ParOldGen) -XX:+UseParallelOldGC Serial (DefNew) Concurrent Mark Sweep -XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:-UseParNewGC Parallel (ParNew) Concurrent Mark Sweep -XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:-UseParNewGC G1 -XX:+UseG1GC

Ergonomics 基于平台和操作系统自动选择 collertor 、 heap size 和 hotspot client or server 目标是提供尽可能好的性能而不需要设置太多命令参数，自动化

Behavior-based parallel 最大停顿时间 -XX ： MaxGCPauseMillis=n 最大吞吐量 -XX ： GCTimeRatio=n Ratio = 1/ （ 1+N ） Default value = 1% 缺省优先级：先满足停顿时间，然后吞吐量，最后 footprint

一些常用配置单处理器系统或小内存， 100M 左右内存 -XX:+UseSerialGC 多处理器系统，需要最大吞吐量不关心暂停时间 -XX:+UseParallelGc -XX:+UseParallelOldGC 最小停顿时间 -XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:+ParNewGC, 有内存碎片，内存越大越好

优化原则 Do Nothing, 让 JVM 自动选择不存在一个简单而普适的原则，必须充分理解系统的需求和特征先 measure ，在 tune 不要过度 tune 需要在各个指标之间进行权衡

常用监控和分析工具 GC 参数 -XX ： +PrintGCDetails -XX: +PrintHeapAtGC -XX ： +PrintGCTimeStamps -XX:+HeapDumpAfterFullGC -XX:+HeapDumpBeforeFullGC -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError Jmap –histo | -heap | -permstat Jstat Jconsole VisualVM HAT ： Heap Analysis Tool

References http://www.oracle.com/technetwork/java/javase/gc-tuning-6-140523.html http://java.sun.com/performance/reference/whitepapers http://www.oracle.com/technetwork/java/faq-140837.html http://www.oracle.com/technetwork/java/javase/tech/vmoptions-jsp-140102.html#PerformanceTuning http://blogs.oracle.com/jonthecollector/entry/our_collectors http://java.sun.com/docs/hotspot/VMOptions.html

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