• 前言

開設(shè)JVM系列以后，就一直打算寫寫GC這塊的事情咙轩《笮總體上來說這塊也算是比較偏理論申鱼，很多時(shí)候是看的時(shí)候理解了愤诱，一段時(shí)間以后又忘記了，所以打算不僅寫寫理論還會(huì)寫上一些調(diào)優(yōu)的相關(guān)例子捐友，這樣會(huì)加深印象淫半。

• 堆內(nèi)存區(qū)域劃分

我們由GC的角度來進(jìn)行堆內(nèi)存的區(qū)域劃分：新生代和老年代。而新生代又可以劃分為Eden區(qū)楚殿、SurvivorFrom區(qū)撮慨、SurvivorTo區(qū)竿痰。而整個(gè)區(qū)域的比例應(yīng)該是新生代比老年代為1:2脆粥，而Eden比SurvivorFrom比SurvivorTo為8:1:1。

堆內(nèi)存區(qū)域劃分.png

通過上面的參數(shù)命令，大家可以嘗試的進(jìn)行相關(guān)JVM的內(nèi)存設(shè)置笨农，然后根據(jù)不同的設(shè)置來模擬各種OOM的情況就缆。

• 對(duì)象在內(nèi)存中的分配

1.對(duì)象被創(chuàng)建以后，進(jìn)行內(nèi)存分配的流程

首先會(huì)嘗試是否能直接分配到棧上空間（這個(gè)跟JIT的逃逸分析有關(guān)）谒亦，如果不能則再次嘗試能否分配到TLAB上（本地線程分配緩沖區(qū)竭宰，存在與Eden區(qū)域）,如果不能則對(duì)對(duì)象進(jìn)行大小判斷空郊，如果是大對(duì)象（指的是占據(jù)了一個(gè)大量的連續(xù)內(nèi)存空間的對(duì)象，如數(shù)組）則直接進(jìn)入老年代如果不是大對(duì)象則直接進(jìn)入新生代里的Eden區(qū)域切揭。

關(guān)于本地線程緩沖分配區(qū)域（TLAB）

由于堆內(nèi)存是線程共享區(qū)域狞甚，在每次為對(duì)象進(jìn)行內(nèi)存空間分配的時(shí)候需要加鎖操作，可以知道的是這個(gè)操作的開銷是比較大的廓旬。所以針對(duì)這種情況哼审，Sun Hotspot JVM為了提高對(duì)象內(nèi)存分配效率，會(huì)為每個(gè)線程在堆內(nèi)存區(qū)域開辟一個(gè)專屬各個(gè)線程的緩存分配區(qū)域（Thread Local Allocation Buffer）孕豹，在這個(gè)區(qū)域進(jìn)行對(duì)象內(nèi)存分配的時(shí)候是不用加鎖的涩盾，所以效率都是很高的。但如果對(duì)象過大的話則仍然是直接使用堆空間分配励背。TLAB僅作用于新生代的Eden Space春霍，因此在編寫Java程序時(shí)，通常多個(gè)小的對(duì)象比大的對(duì)象分配起來更加高效叶眉。

2. 幾種內(nèi)存分配策略

• 對(duì)象優(yōu)先被分配到Eden區(qū)域
• 如果是大對(duì)象址儒，則直接分配到老年代區(qū)
• 根據(jù)對(duì)象的年齡（每經(jīng)歷一次GC，則存活下來的對(duì)象的年齡+1）衅疙，如果年齡超過標(biāo)準(zhǔn)（默認(rèn)是15）莲趣，則對(duì)象進(jìn)入老年代。
• Survivor區(qū)域里的相同年齡數(shù)的對(duì)象數(shù)量超過了Survivor區(qū)域里可容納對(duì)象的數(shù)量的一半饱溢，則該些對(duì)象進(jìn)入老年代喧伞。
• 對(duì)象分配空間擔(dān)保機(jī)制
  在執(zhí)行一次minorGC的時(shí)候會(huì)檢查一下老年代連續(xù)可用的內(nèi)存空間是否大于新生代所有對(duì)象的大小（防止新生代全部晉升對(duì)象到老年代），如果大于則表示本次minorGC是安全的理朋。如果不是絮识，則會(huì)進(jìn)行一次預(yù)測(cè)，根據(jù)以往minorGC結(jié)束后新生代活下來的對(duì)象的平均數(shù)大小是否超過了老年代最大連續(xù)空閑空間嗽上，如果沒超過則表示雖然minorGC有風(fēng)險(xiǎn)但是還會(huì)執(zhí)行次舌，如果超過了則啟動(dòng)majorGC（fullGC）對(duì)老年代進(jìn)行GC回收騰出空間以方便給新生代做空間擔(dān)保。

分配擔(dān)保是老年代為新生代作擔(dān)保兽愤。由于新生代中使用“復(fù)制”算法實(shí)現(xiàn)垃圾回收彼念，老年代中使用“標(biāo)記-清除”或“標(biāo)記-整理”算法實(shí)現(xiàn)垃圾回收，只有使用“復(fù)制”算法的區(qū)域才需要分配擔(dān)保浅萧，因此新生代需要分配擔(dān)保逐沙，而老年代不需要分配擔(dān)保。

3. 對(duì)象內(nèi)存分配的倆種方法

為對(duì)象進(jìn)行內(nèi)存空間分配的任務(wù)洼畅，其實(shí)就是將一塊確定大小的內(nèi)存空間劃走一片吩案。

• 指針碰撞
  假設(shè)Java堆中內(nèi)存是絕對(duì)規(guī)整的，所有用過的內(nèi)存都放在一邊帝簇，空閑的內(nèi)存放在另一邊徘郭，中間放著一個(gè)指針作為分界點(diǎn)的指示器靠益，那所分配內(nèi)存就僅僅是把那個(gè)指針向空閑空間那邊挪動(dòng)一段與對(duì)象大小相等的距離，這種分配方式稱為“指針碰撞”（Bump the Pointer）

• 空閑列表
  (CMS這種基于Mark-Sweep算法的收集器) 如果Java堆中的內(nèi)存并不是規(guī)整的残揉，已使用的內(nèi)存和空閑的內(nèi)存相互交錯(cuò)胧后，那就沒有辦法簡(jiǎn)單地進(jìn)行指針碰撞了，虛擬機(jī)就必須維護(hù)一個(gè)列表抱环，記錄上哪些內(nèi)存塊是可用的壳快，在分配的時(shí)候從列表中找到一塊足夠大的空間劃分給對(duì)象實(shí)例，并更新列表上的記錄镇草，這種分配方式稱為“空閑列表”（Free List）眶痰。

選擇哪種分配方式由Java堆是否規(guī)整決定，而Java堆是否規(guī)整又由所采用的垃圾收集器是否帶有壓縮整理功能決定陶夜。因此凛驮，在使用Serial裆站、ParNew等帶Compact過程的收集器時(shí)条辟，系統(tǒng)采用的分配算法是指針碰撞，而使用CMS這種基于Mark-Sweep算法的收集器時(shí)宏胯，通常采用空閑列表

• 關(guān)于GC

什么是GC羽嫡？字面意思解釋就是垃圾回收。在我們Java里面肩袍，當(dāng)對(duì)象創(chuàng)建好以后杭棵，我們是不需要關(guān)心對(duì)象的回收工作的，由JVM虛擬機(jī)會(huì)自動(dòng)幫我們?nèi)セ厥者@些對(duì)象氛赐，而JVM能這樣做的原因就是因?yàn)檫@個(gè)GC垃圾回收機(jī)制魂爪。

1. 確定對(duì)象為垃圾的2種算法

• 引用計(jì)數(shù)法
  Jvm會(huì)為每個(gè)對(duì)象進(jìn)行引用計(jì)數(shù)，如果一個(gè)對(duì)象被引用了這計(jì)數(shù)加1艰管，如果該引用被釋放了滓侍，則計(jì)數(shù)減1，當(dāng)計(jì)數(shù)為0的時(shí)候則表示該對(duì)象可以被回收牲芋。缺點(diǎn)：無法識(shí)別循環(huán)引用的對(duì)象撩笆。
  給出例子：

public class ReferenceCountingGC {
    public Object instance;
    public ReferenceCountingGC(String name){}
}

public static void testGC(){

    ReferenceCountingGC a = new ReferenceCountingGC("objA");
    ReferenceCountingGC b = new ReferenceCountingGC("objB");

    a.instance = b;
    b.instance = a;

    a = null;
    b = null;
}

1. 定義2個(gè)對(duì)象
2. 相互引用
3. 置空各自的聲明引用

循環(huán)引用.png

我們可以看到，最后這2個(gè)對(duì)象已經(jīng)不可能再被訪問了缸浦，但由于他們相互引用著對(duì)方夕冲，導(dǎo)致它們的引用計(jì)數(shù)永遠(yuǎn)都不會(huì)為0，通過引用計(jì)數(shù)算法裂逐，也就永遠(yuǎn)無法通知GC收集器回收它們歹鱼。

• 可達(dá)性分析算法
  根據(jù)GCroots來作為探索起點(diǎn)來探索到對(duì)象之間是否有可到達(dá)的路徑，如果沒有路徑這表示該對(duì)象是不可達(dá)（不可達(dá)對(duì)象不代表是可回收對(duì)象在這之間會(huì)有倆次標(biāo)記過程卜高，倆次標(biāo)記以后任然是可回收對(duì)象則才是可回收對(duì)象）

  
  
  可達(dá)性算法.png

哪些是GC roots弥姻？
根據(jù)JVM規(guī)定只有虛擬機(jī)方法棧上和本地方法棧上引用的對(duì)象和方法區(qū)中類的靜態(tài)屬性引用的對(duì)象以及方法區(qū)中常量引用的對(duì)象

如何找到GC roots秩霍？
通過采用一個(gè)OopMap的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來記錄系統(tǒng)中存活的“GC Roots”，在類加載完成的時(shí)候蚁阳，虛擬機(jī)就把對(duì)象內(nèi)什么偏移量上是什么類型的數(shù)據(jù)計(jì)算出來保存在OopMap铃绒，通過OopMap就可以找到堆中的對(duì)象，這些對(duì)象就是GC Roots螺捐。而不需要一個(gè)一個(gè)的去判斷某個(gè)內(nèi)存位置的值是不是引用颠悬。這種方式也叫準(zhǔn)確式GC

2. GC的分類

GC可以被劃分為minorGC和majorGC。第一個(gè)是用來處理新生代區(qū)內(nèi)的對(duì)象回收的GC定血，第二個(gè)是用來處理老年代和永久代（jdk8以后就沒有永久代了）區(qū)內(nèi)的對(duì)象回收的GC赔癌。至于Full GC網(wǎng)上眾說紛壇我看了好幾篇博客大概感覺fullGC應(yīng)該可以理解為minorGC+majorGC。

堆內(nèi)存中何時(shí)觸發(fā)GC進(jìn)行工作的澜沟？
minorGC 當(dāng)Eden區(qū)的大小滿了以后會(huì)觸發(fā)minorGC來進(jìn)行工作灾票；
majorGC 當(dāng)old區(qū)滿了以后會(huì)觸發(fā)majorGC來清理old區(qū)的對(duì)象，或者當(dāng)老年代無法為新生代提供空間擔(dān)保的時(shí)候則會(huì)觸發(fā)majorGC來清理老年代對(duì)象為新生代騰出空間茫虽。

3. 垃圾回收算法

• 標(biāo)記清除算法（mark-sweep）
  最基礎(chǔ)的回收算法刊苍，在標(biāo)記階段對(duì)可回收對(duì)象進(jìn)行標(biāo)記，在清除階段對(duì)被標(biāo)記的對(duì)象所占空間進(jìn)行回收濒析。缺點(diǎn)：內(nèi)存碎片化嚴(yán)重正什，可能會(huì)導(dǎo)致大的對(duì)象找不到內(nèi)存空間

• 復(fù)制算法（coping）
  將內(nèi)存空間分為大小相等的倆塊，當(dāng)其中一塊內(nèi)存空間已經(jīng)滿了的時(shí)候号杏，將不可回收的對(duì)象復(fù)制到另一塊內(nèi)存空間中婴氮，然后將原先滿了的內(nèi)存空間清理干凈，再次使用內(nèi)存空間進(jìn)行分配的時(shí)候就使用另一塊內(nèi)存空間盾致。這樣的好處是避免了上述算法會(huì)產(chǎn)生大量的內(nèi)存碎片空間主经，缺點(diǎn)：每次只能使用一半的內(nèi)存，而且如果存活對(duì)象比較多的情況會(huì)導(dǎo)致復(fù)制算法效率下降（大量的存活對(duì)象需要進(jìn)行復(fù)制遷移）

• 標(biāo)記壓縮算法（mark-compact）
  綜合以上倆種方法的缺陷庭惜，提出第三種回收算法罩驻，標(biāo)記階段與標(biāo)記清除算法是差不多的，然后標(biāo)記結(jié)束不是立即回收蜈块，而是將存活的對(duì)象移動(dòng)到內(nèi)存的一端鉴腻，然后再清除端邊界外的對(duì)象。好處：解決了上述倆種方法的內(nèi)存空間碎片化嚴(yán)重百揭、內(nèi)存空間利用不足的問題爽哎。

• 分代收集算法
  分代收集法是目前大部分 JVM 所采用的方法，老年代的特點(diǎn)是每次垃圾回收時(shí)只有少量對(duì)象需要被回收器一，新生代的特點(diǎn)是每次垃圾回收時(shí)都有大量垃圾需要被回收课锌，因此可以根據(jù)不同區(qū)域選擇不同的算法。新生代都采取復(fù)制算法，老年代采取標(biāo)記壓縮算法渺贤。

為什么堆內(nèi)存要分區(qū)雏胃？
是為了更好的對(duì)堆內(nèi)對(duì)象進(jìn)行回收工作，在新生代中針對(duì)對(duì)象的朝生夕死特性志鞍，選擇使用復(fù)制算法來進(jìn)行GC工作瞭亮，因?yàn)榇婊畹膶?duì)象少所以復(fù)制算法的效率很高。在老年代中采用的是標(biāo)記壓縮法來進(jìn)行固棚，因?yàn)榇婊畹膶?duì)象比較多如果采用復(fù)制算法則會(huì)導(dǎo)致效率很低统翩。

4. 幾種垃圾收集器

• Serial收集器（新生代的垃圾收集器）
  單線程、采用復(fù)制算法的垃圾收集器此洲。它不但只會(huì)使用一個(gè) CPU 或一條線程去完成垃圾收集工作厂汗，并且在進(jìn)行垃圾收集的同時(shí)，必須暫停其他所有的工作線程（STOP THE WORLD）呜师，直到垃圾收集結(jié)束娶桦。
  Serial 垃圾收集器雖然在收集垃圾過程中需要暫停所有其他的工作線程，但是它簡(jiǎn)單高效汁汗，是jvm運(yùn)行在client模式下的默認(rèn)采用的新生代垃圾收集器衷畦。
  通過-XX:+UseSerialGC參數(shù)啟用

• ParNew收集器（新生代的垃圾收集器）
  與serial垃圾收集器唯一的不同在于它是多線程下的采用復(fù)制算法的垃圾收集器。但對(duì)于單核的設(shè)備來說碰酝，需要進(jìn)行線程之間的切換霎匈，效率反而沒有單線程的高。默認(rèn)開啟的線程數(shù)等于cpu的數(shù)量送爸。Jvm運(yùn)行在server模式下默認(rèn)采用的新生代垃圾收集器。
  通過-XX:ParallelGCThreads參數(shù)限制收集的線程數(shù)暖释，-XX:+UseParNewGC參數(shù)啟用

• Parallel Scavenge收集器（新生代的垃圾收集器）
  與PN相同的是袭厂，同樣使用復(fù)制算法，也是一個(gè)多線程的垃圾收集器球匕。與PN不同點(diǎn)在于它關(guān)注程序是否到達(dá)了一個(gè)可控制的吞吐量（CPU計(jì)算用戶代碼消耗時(shí)間/cpu總消耗時(shí)間）主要追求高效的CPU計(jì)算纹磺，追求快速完成計(jì)算任務(wù)。（適用于在后臺(tái)運(yùn)算不需要太多交互的任務(wù)）
  通過參數(shù)-XX:MaxGCPauseMillis設(shè)置最大GC的停頓時(shí)間和-XX:GCTimeRatio 設(shè)置吞吐量的大小亮曹。-XX:+UseParallelGC參數(shù)啟用

另外橄杨，可以通過-XX:+UseAdaptiveSizePolicy參數(shù)開啟自適應(yīng)調(diào)節(jié)策略，這樣可以免去我們自己設(shè)置堆內(nèi)存的一些細(xì)節(jié)參數(shù)照卦，比如新生代內(nèi)存大小式矫，Eden與Survivor之間的比例等等。這個(gè)參數(shù)適合對(duì)內(nèi)存手工優(yōu)化存在困難的時(shí)候使用役耕，他能監(jiān)控系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)采转，動(dòng)態(tài)的調(diào)整以達(dá)到最大的吞吐量

• Serial Old垃圾收集器（老年代的垃圾收集器）
  單線程下采用標(biāo)記整理算法來實(shí)現(xiàn)。也是在client模式下使用的默認(rèn)老年代垃圾收集器瞬痘。在server模式下作為CMS并發(fā)收集模式失敗的情況下備選方案故慈。

• Parallel Old垃圾收集器（老年代的垃圾收集器）
  是SO的多線程版本板熊。同時(shí)也保證了老年代的吞吐量與PS在新生代里保證吞吐量的功能是一致的。

• CMS垃圾收集器（老年代的垃圾收集器）
  是多線程下采用標(biāo)記清除算法來實(shí)現(xiàn)的察绷。主要是為了追求最短的回收停頓時(shí)間來快速響應(yīng)服務(wù)干签。
  步驟：
  初始標(biāo)記：需要進(jìn)行STW的，但僅僅只是標(biāo)記GC Roots能夠直接關(guān)聯(lián)的對(duì)象（并不是死掉的對(duì)象哦~）拆撼，由于有OopMap的存在筒严，因此該步驟速度非常快情萤。如圖鸭蛙，其中藍(lán)色底紋的便是能夠直接關(guān)聯(lián)的對(duì)象。
  

  初始標(biāo)記直接關(guān)聯(lián)對(duì)象.png
  
  并發(fā)標(biāo)記：這步是不需要STW的筋岛，不需要娶视！他和我們的主程序線程共同執(zhí)行，從上一步被標(biāo)記的對(duì)象開始睁宰，進(jìn)行可達(dá)性分析組成“關(guān)系網(wǎng)”肪获。由于不需要進(jìn)行SWT，所以該步驟不會(huì)影響用戶體驗(yàn)柒傻。既然不暫停線程孝赫，大家是不是又怕回收了不該回收的對(duì)象？為了避免這個(gè)問題红符，因此就有了第三步青柄。
  重新標(biāo)記：針對(duì)并發(fā)標(biāo)記過程中因?yàn)槌绦蚶^續(xù)運(yùn)行，導(dǎo)致標(biāo)記發(fā)生變化的那部分對(duì)象進(jìn)行標(biāo)記修正预侯，需要暫停所有的工作線程致开。
  并發(fā)清除：
  清除GC roots里不可達(dá)對(duì)象，和用戶線程一起工作不需要暫停工作進(jìn)程萎馅。由于四個(gè)階段里耗時(shí)最長(zhǎng)的并發(fā)標(biāo)記和并發(fā)清除都不需要暫停工作進(jìn)程双戳，所以可以認(rèn)為CMS的垃圾回收是和用戶線程一起并發(fā)進(jìn)行的。
  優(yōu)點(diǎn)：并發(fā)收集垃圾糜芳，低停頓性飒货。
  缺點(diǎn)：由于采用標(biāo)記-清除算法所以會(huì)產(chǎn)生內(nèi)存碎片，對(duì)于浮動(dòng)垃圾沒辦法收集峭竣。（當(dāng)在并發(fā)清除垃圾的時(shí)候塘辅，也就是第四步的時(shí)候，他是與當(dāng)前主線程并發(fā)執(zhí)行的邪驮，因此他在回收的時(shí)候莫辨，我們的主線程又會(huì)產(chǎn)生新的垃圾，而這些垃圾在這次回收過程已經(jīng)回收不了了，只能等待下一次回收了沮榜。這些垃圾又叫做“浮動(dòng)垃圾”）

• G1垃圾收集器（作用范圍為整個(gè)堆的垃圾收集器）
  相對(duì)于CMS垃圾收集器來說盘榨，G1收集器采用標(biāo)記-壓縮算法不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)存碎片。而且能更加精準(zhǔn)的控制停頓時(shí)間蟆融，實(shí)現(xiàn)低停頓垃圾回收草巡。（主要是采用了分區(qū)，針對(duì)每個(gè)區(qū)的垃圾收集進(jìn)度情況來在后臺(tái)維護(hù)一個(gè)優(yōu)先級(jí)列表型酥，每次根據(jù)所允許的收集時(shí)間山憨，優(yōu)先選擇垃圾回收最多的區(qū)域）通過-XX:MaxGCPauseMills設(shè)置有限的收集時(shí)間。

垃圾收集器是不能隨意組合的弥喉，現(xiàn)在給出垃圾收集器互相的組合圖：

垃圾收集器組合使用.png

至此郁竟，就把堆內(nèi)存與GC相關(guān)的東西說完了，有點(diǎn)淺顯由境，很多都是泛泛而談棚亩。后面我會(huì)專開一篇文章來實(shí)戰(zhàn)分析。