聊聊JAVA虛擬機中的垃圾收集器

前言

JAVA虛擬機的垃圾收集器是虛擬機內存的清道夫，它的存在讓JAVA開發人員能將更多精力投入到業務研發上。了解垃圾收集器，并利用好這個工具，能更好的保障服務穩定性。這篇文章通過分析JAVA虛擬機內存模型，介紹垃圾收集器常用算法和收集器類別，使得垃圾收集器的配置和使用變得不再遙不可及。

JAVA虛擬機內存模型

JAVA虛擬機內存可以劃分為：虛擬機棧、本地方法棧、JAVA堆內存、方法區(包含運行時常量池)、程序計數器、直接內存。

虛擬機棧

虛擬機棧是線程私有的，生命周期跟線程相同。也就是說一個線程被創建后，虛擬機為其分配了一個獨立的棧幀來存儲線程的局部變量、操作數、動態鏈接、方法出口等信息，當線程結束后，該棧幀也會被回收清理。

本地方法棧

本地方法棧是虛擬機的native方法執行期間使用的一個棧幀。

JAVA堆內存

堆內存是被所有線程共享的一塊區域，用來存放對象實例和數組，屬于內存中最大的一塊區域，也是垃圾收集的主要區域。從垃圾收集的角度看，堆內存經常分為新生代和老年代。

方法區

方法區也是被所有線程共享的一塊區域，用來存儲被虛擬機加載的類信息、常量、靜態變量、JIT編譯后代碼等數據。也可以成為永久代。

程序計數器

程序計數器是線程私有的，作為當前線程所執行的字節碼的行號指示器，每個線程有一個程序計數器，用于記錄CPU切換線程時記錄當前線程的執行位置，以便下次繼續從當前位置往下執行。

直接內存

這塊不屬于JAVA虛擬機內存，但使用頻繁，也可稱之為“堆外內存”

JAVA虛擬機垃圾收集器

根據上述對JAVA虛擬機內存區域模型的介紹，我們知道JAVA程序中的對象實例都存儲在JAVA堆內存中，因此垃圾收集主要也是針對堆內存進行。為了更好的管理JAVA對象實例，并結合對象實例的生存時間長短，JAVA虛擬機將堆內存分為新生代和老年代，分別存儲剛創建不久的對象和存活較長時間的對象實例，并采用分代收集的策略分別回收新生代和老年代的內存。

內存分配與回收策略

• 1、 分代收集思路。根據JAVA對象的生存周期特點，虛擬機將堆內存分為新生代和老年代，并分別采用新生代和老年代的垃圾回收策略。
• 2、 新生代細分為Eden區和兩個Survivor區(即From區和To區)。大多數新生對象創建頻繁，且存活時間短，為了提高新生代區域垃圾收集效率，新創建的對象存放在Eden區，當Eden區快滿的時候，虛擬機對其觸發一次Minor GC，將新生代存活對象移動到From區，原來From區的對象根據存活年齡決定放到To區還是老年代，然后清空Eden區和From區，接著將To區對象全部移到From區。
• 3、 大對象直接進入老年代，可以配置新生代對象的最大值，對象超過這個值就直接進入老年代。
• 4、 發起Minor GC前，會先判斷老年代最大可用連續空間是否大于新生代對象占用的空間，如果小于或不允許冒險，則觸發一次Full GC。

垃圾收集算法（3種基本算法）

• 1、 復制算法。針對于新生代的垃圾收集算法。當新生代Eden區快滿的時候，將Eden區對象復制到From區，將From區對象根據存活年齡決定復制到To區還是到老年代，然后清除Eden區和From區，接著將To區對象復制到From區。
• 2、 標記-清除算法。垃圾收集算法標記出需要回收的對象，標記完成后直接統一回收。垃圾收集器使用可達性分析來判斷哪些對象是否存活，通過設置一系列GC Roots節點（包括棧、方法區中的靜態屬性和常量所引用的對象，以及本地方法棧中引用的對象），從這類節點往下搜索，當對象不在GC Root節點的引用鏈上時，說明對象不可達，可以被回收。
• 3、 標記-整理算法。垃圾收集算法標記出需要回收的對象，標記完成后將存活對象往內存的一端移動，然后直接清理掉端邊界以外的內存。

常用垃圾收集器

由于虛擬機中的垃圾收集是分代收集的，新生代和老年代的垃圾收集策略不太一樣，所以一般是使用針對新生代和老年代的垃圾收集器組合。

• 1、 Serial GC。新生代收集器，采用復制算法，用于Client客戶端新生代垃圾收集，針對內存占用較少的應用進行垃圾收集。
• 2、 Serial Old GC。老年代收集器，采用標記-整理算法，用于Client客戶端老年代垃圾收集，針對內存占用較少的應用進行垃圾收集。
• 3、 Parallel Scavenge GC。新生代收集器，采用復制算法，并行收集新生代內存垃圾，可以設置垃圾收集器的吞吐量，還可以設置自動適配調節吞吐量。
• 4、 Parallel New GC。新生代收集器，采用復制算法，并行收集新生代內存垃圾。
• 5、 Parallel Old GC。老年代收集器，采用標記-整理算法，并行收集老年代內存垃圾。
• 6、 CMS GC。老年代收集器，采用標記-清除算法，并行收集老年代內存垃圾，不整理內存。由于在執行垃圾收集期間不中斷業務線程，所以容易產出“浮動垃圾”，導致Full GC。可以通過設置參數來觸發內存整理任務。
• 7、 G1 GC。不再將堆內存區分新生代和老年代，而是將堆內存看作若干個均分小區域，并對最空閑的內存區域進行標記和回收。適用于大內存的應用。

配置垃圾收集機器參數

• 1、UseSerialGC：虛擬機允許在Client模式下的默認值，打開此配置后，虛擬機使用Serial GC + Serial Old GC 的收集器組合進行內存回收。
• 2、UseParNewGc：使用ParNew + Serial Old 的收集器組合進行內存回收。
• 3、UseConcMarkSweepGC：使用ParNew + CMS + Serial Old GC的收集器組合進行內存回收。
• 4、UseParallelGC：虛擬機允許在Server模式下的默認值，使用Parallel Scavenge + Serial Old 的收集器組合進行內存回收。
• 5、UseParallelOldGC： 使用Parallel Scavenge + Parallel Old GC的收集器組合進行內存回收。
• 6、SuriviorRatio：新生代中Eden區域與Surivior區域的容量比值，默認是8:1。
• 7、PretenureSizeThreshold：設置這個值后，大于這個值的對象直接進入老年代。
• 8、MaxtenuringThreshold：對象年齡超過這個值時進入老年代。
• 9、ParallelGCThreads：設置并行GC時進行內存回收的線程數。
• 10、UseAdaptiveSizePolicy：動態調整堆內存中各個區域的大小和進入老年代的對象年齡。
• 11、HandlerPromotionFailure：是否允許分配擔保失敗。
• 12、GCTimeRatio：僅在Parallel ScaVenge收集器時生效，設置GC時間占總運行時間的比率，默認為1%。
• 13、MaxGCPauseMills：僅在Parallel ScaVenge收集器時生效，設置GC的最大停頓時間。
• 14、CMSInitiatingOccupancyFraction：設置CMS收集器在老年代空間被使用多少后觸發垃圾收集，默認68%，在設置CMS收集器時生效。
• 15、UseCMSCompactAtFullCollection：在設置CMS收集器時生效，設置CMS收集器在完成垃圾收集后是否進行一次碎片整理。
• 16、CMSFullGCsBeforeCompaction：僅在使用CMS時生效，設置CMS收集器在進行若干次收集后再啟動一次內存碎片整理。