JVM 垃圾回收机制

上一篇讲解了JVM 的内存模型，这篇介绍一下JVM的垃圾回收机制。

如何定义垃圾

有两种方式，一种是引用计数（但是无法解决循环引用的问题）；另一种就是可达性分析。

判断对象可以回收的情况：

显示的把某个引用置位NULL或者指向别的对象
局部引用指向的对象
弱引用关联的对象

垃圾回收的方法

Mark-Sweep标记-清除算法

这种方法优点就是减少停顿时间，但是缺点是会造成内存碎片。

Copying复制算法

这种方法不涉及到对象的删除，只是把可用的对象从一个地方拷贝到另一个地方，因此适合大量对象回收的场景，比如新生代的回收。

Mark-Compact标记-整理算法

这种方法可以解决内存碎片问题，但是会增加停顿时间。

Generational Collection 分代收集

最后的这种方法是前面几种的合体，即目前JVM主要采取的一种方法，思想就是把JVM分成不同的区域。每种区域使用不同的垃圾回收方法。

上面可以看到堆分成三个区域：

新生代(Young Generation)：用于存放新创建的对象，采用复制回收方法，如果在s0和s1之间复制一定次数后，转移到年老代中。这里的垃圾回收叫做minor GC;
年老代(Old Generation)：这些对象垃圾回收的频率较低，采用的标记整理方法，这里的垃圾回收叫做 major GC。
永久代(Permanent Generation)：存放Java本身的一些数据，当类不再使用时，也会被回收。

新生代-复制算法

该算法的核心是将可用内存按容量划分为大小相等的两块, 每次只用其中一块, 当这一块的内存用完, 就将还存活的对象复制到另外一块上面, 然后把已使用过的内存空间一次清理掉.

这使得每次只对其中一块内存进行回收, 分配也就不用考虑内存碎片等复杂情况, 实现简单且运行高效.

现代商用VM的新生代均采用复制算法, 但由于新生代中的98%的对象都是生存周期极短的, 因此并不需完全按照1∶1的比例划分新生代空间, 而是将新生代划分为一块较大的Eden区和两块较小的Survivor区(HotSpot默认Eden和Survivor的大小比例为8∶1), 每次只用Eden和其中一块Survivor. 当发生MinorGC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上, 最后清理掉Eden和刚才用过的Survivor的空间. 当Survivor空间不够用(不足以保存尚存活的对象)时, 需要依赖老年代进行空间分配担保机制, 这部分内存直接进入老年代.

老年代-标记清除算法

该算法分为“标记”和“清除”两个阶段: 首先标记出所有需要回收的对象(可达性分析), 在标记完成后统一清理掉所有被标记的对象.

该算法会有以下两个问题:
1. 效率问题: 标记和清除过程的效率都不高;
2. 空间问题: 标记清除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在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而不得不提前触发另一次垃圾收集.

老年代-标记整理算法

标记清除算法会产生内存碎片问题, 而复制算法需要有额外的内存担保空间, 于是针对老年代的特点, 又有了标记整理算法. 标记整理算法的标记过程与标记清除算法相同, 但后续步骤不再对可回收对象直接清理, 而是让所有存活的对象都向一端移动,然后清理掉端边界以外的内存.

永久代-方法区回收

在方法区进行垃圾回收一般”性价比”较低, 因为在方法区主要回收两部分内容: 废弃常量和无用的类. 回收废弃常量与回收其他年代中的对象类似, 但要判断一个类是否无用则条件相当苛刻:
1. 该类所有的实例都已经被回收, Java堆中不存在该类的任何实例;
2. 该类对应的Class对象没有在任何地方被引用(也就是在任何地方都无法通过反射访问该类的方法);
3. 加载该类的ClassLoader已经被回收.

但即使满足以上条件也未必一定会回收, Hotspot VM还提供了-Xnoclassgc参数控制(关闭CLASS的垃圾回收功能). 因此在大量使用动态代理、CGLib等字节码框架的应用中一定要关闭该选项, 开启VM的类卸载功能, 以保证方法区不会溢出.

附：（面试被问到过）

Minor GC ，Full GC 触发条件

Major GC 清理年老区（Tenured space）.
Full GC 清理整个内存堆 – 既包括年轻代也包括年老代.

Minor GC触发条件：当Eden区满时，触发Minor GC。

Full GC触发条件：

（1）调用System.gc时，系统建议执行Full GC，但是不必然执行

（2）老年代空间不足

（3）方法去空间不足

（4）通过Minor GC后进入老年代的平均大小大于老年代的可用内存

（5）由Eden区、From Space区向To Space区复制时，对象大小大于To Space可用内存，则把该对象转存到老年代，且老年代的可用内存小于该对象大小

JVM小工具

在${JAVA_HOME}/bin/目录下Sun/Oracle给我们提供了一些处理应用程序性能问题、定位故障的工具, 包含

bin	描述	功能
jps	打印Hotspot VM进程	VMID、JVM参数、`main()`函数参数、主类名/Jar路径
jstat	查看Hotspot VM 运行时信息	类加载、内存、GC[可分代查看]、JIT编译
jinfo	查看和修改虚拟机各项配置	`-flag name=value`
jmap	heapdump: 生成VM堆转储快照、查询finalize执行队列、Java堆和永久代详细信息	`jmap -dump:live,format=b,file=heap.bin [VMID]`
jstack	查看VM当前时刻的线程快照: 当前VM内每一条线程正在执行的方法堆栈集合	`Thread.getAllStackTraces()`提供了类似的功能
javap	查看经javac之后产生的JVM字节码代码	自动解析`.class`文件, 避免了去理解class文件格式以及手动解析class文件内容
jcmd	一个多功能工具, 可以用来导出堆, 查看Java进程、导出线程信息、执行GC、查看性能相关数据等	几乎集合了jps、jstat、jinfo、jmap、jstack所有功能
jconsole	基于JMX的可视化监视、管理工具	可以查看内存、线程、类、CPU信息, 以及对JMX MBean进行管理
jvisualvm	JDK中最强大运行监视和故障处理工具	可以监控内存泄露、跟踪垃圾回收、执行时内存分析、CPU分析、线程分析…

VM常用参数整理

参数	描述
`-Xms`	最小堆大小
`-Xmx`	最大堆大小
`-Xmn`	新生代大小
`-XX:PermSize`	永久代大小
`-XX:MaxPermSize`	永久代最大大小
`-XX:+PrintGC`	输出GC日志
`-verbose:gc`	-
`-XX:+PrintGCDetails`	输出GC的详细日志
`-XX:+PrintGCTimeStamps`	输出GC时间戳(以基准时间的形式)
`-XX:+PrintHeapAtGC`	在进行GC的前后打印出堆的信息
`-Xloggc:/path/gc.log`	日志文件的输出路径
`-XX:+PrintGCApplicationStoppedTime`	打印由GC产生的停顿时间