java虚拟机知识点-垃圾收集器与内存分配策略

一、概述

1、线程私有：程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈

2、运行期间分配和回收内存：Java堆和方法区

二、对象存活判定算法

1. 可达性分析算法
   

1. 通过一系列成为“GC Roots”的对象作为起点，从这些节点开始向下搜索，搜索所走过的路径成为引用链（Reference Chain）；当对象不存在引用链时则为不可用
   
2. 可作为“GC Roots”的对象：
   

1. 虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象
   
2. 方法区中类静态属性引用的对象
   
3. 方法区中常量引用的对象
   
4. 本地方法栈中JNI（Native方法）应用的对象
   

2. 对象的重要级别
   

1. 强引用：该对象不会被回收
   
2. 软引用：系统将要发生内存溢出异常之前会被列入回收范围之中，第二次gc回收
   
3. 弱引用：其对象只能生存到下一次回收之前
   
4. 虚引用：唯一目的是被该对象回收之时收到一个系统通知
   

3. 要回收一个对象，至少要经历两次标记：不可达标记并进行一次筛选
   

1. 对应的类没有覆盖finalize方法或其finalize已被虚拟机调用过：认为该对象没必要执行
   
2. 有必要执行finalize方法：该对象被加入F-Queue队列中，由Finalizer线程负责执行
   
3. 任一对象的finalize方法都只会被系统自动调用一次
   

4. 回收方法区
   

1. 判断为可（仅仅是可以）回收的类
   

1. Java堆不存在该类的实例
   
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，没有通过反射访问该类的方法
   

2. 废弃常量：系统中没有该常量字面量
   

三、垃圾收集算法

1. 标记-清理算法
   

1. 标记所有需要回收的对象
   
2. 标记完成后统一回收
   
3. 缺点：效率不高，标记清除之后产生大量不连续的内存碎片
   

2. 复制
   

1. 将可用内存划分为大小相等的两块，每次只用一块
   
2. 缺点：内存利用率低
   
3. 改进：分为新生代对象和来年代对象，分配一块Eden（80%）和两块Survivor空间
   

3. 标记-整理
   

1. 标记
   
2. 让所有存活的对象都向一端移动，然后直接清理端边界以外的内存
   

4. 分代收集算法
   

1. 根据对象存活周期的不同将内存划分为几块
   
2. 新生代：复制算法
   
3. 老年代：标记-清理或标记-整理
   

四、HotSpot的算法实现

1. 枚举根节点
   

1. 枚举根节点（GC Roots）时必须要停顿
   
2. OopMap的数据结构：记录对象的数据类型，引用所在栈和寄存器中的位置
   

2. 安全点（Safepoint）
   

1. 让所有线程（不包括执行JNI调用的线程）都“跑”到最近的安全点上再停顿下来
   

1. 抢先式中断：没到安全点的线程都让它跑到安全点
   
2. 主动式中断：设置一个标志，线程执行时发现该标志，并为真时就自己中断挂起
   

3. 安全区域（Safe Region）：在一段代码片段之中，引用关系不会发生变化。在这个区域中的任意地方开始GC都是安全的
   

1. JVM发出GC，不用管在安全区域的线程；该线程要离开该Safe Region前检查是否完成了根节点枚举，若没有，则等待离开信号
   

4、JVM不是为每条指令都生成OopMap，只有安全点才记录

五、垃圾收集器

1. 垃圾收集器：两个收集器之间存在连线，就说明他们可搭配使用（没有最好的收集器）
   

2. Serial收集器
   

1. GC时，必须暂停其他所有的工作线程
   
2. Client模式下的默认新生代收集器；单线程高效
   

3. ParNew收集器：“并行”
   

1. Server模式下的虚拟机中首选的新生代收集器；
   
2. 多线程收集；默认开启的收集线程数与CPU的数量相同
   

4. Parallel Scavenge收集器
   

1. 新生代收集器，采用复制算法
   
2. 目标：控制的吞吐量
   

1. 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）
   

3. 设置参数
   

• 最大垃圾收集停顿时间：-XX:MaxGCPauseMillis
  
• 吞吐量大小：-XX:GCTimeTatio
  
• –XX:+UseAdaptiveSizePolicy：自适应配置参数的开关
  

5. Serial Old收集器：Serial的老版本
   

1. 标记-整理
   
2. 可与Parallel Sanvenge收集器搭配
   
3. 作为CMS收集器的后备预案，在并发收集发生Concurrent Mode Failure时使用
   

6. Parallel Old收集器
   

1. 标记-整理算法
   
2. 适用于注重吞吐量和CPU资源敏感的场合
   

7. CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器
   

1. 目标：最短回收停顿时间
   
2. 基于标记-清除算法
   

1. 初始化标记：“Stop The World”；标记GC Roots能直接关联到的对象
   
2. 并发标记：进行GC Roots Tracing的过程
   
3. 重新标记：标记并发标记期间的标记发生变动的对象
   
4. 并发清除
   

3. 缺点
   

1. CMS收集器对CPU资源非常敏感(占用CPU资源)
   

1. CMS默认启动的回收线程数为（CPU数量+3）/4
   
2. 增量式并发收集器（Incremental Concurrent Mark Sweep/i-CMS）：GC线程、用户线程交替运行
   

2. CMS收集器无法处理浮动垃圾（Floating Garbage）
   

1. 浮动垃圾：GC本次不能清理的产生的新垃圾
   

3. 产生有大量空间碎片
   

1. –XX:+UseCMSCompactAtFullCollection开关参数：内存碎片整理
   
2. –XX:CMSFullGCsBeforeCompaction:执行多少次不压缩的Full GC后，跟着来一次带压缩的；默认值为0
   

8. G1（Garbage-First）收集器
   

1. 面向服务端应用
   
2. 并发：充分利用多CPU、多核环境下的硬件优势
   
3. 分代收集：将对象分为老年代、新年代
   
4. 空间整合：外部-“标记-整理”，内部-“复制”；不会产生内存空间碎片
   
5. 可预测的停顿：除了追求低停顿外，还能建立可预测的停顿时间模型
   
6. 将Java堆分为大小相等的独立区域（Region），优先回收价值最大的Region；新年代和老年代不再是物理隔离的了
   
7. Remembered Set：记录相关的引用信息
   

1. 每个Region都有一个Remembered Set
   
2. 目的：扫描一个Region时，避免了全栈扫描（Region与Region之间的引用可能存在关联）
   

8. 不计算维护Remembered Set的操作，步骤：
   

1. 初始标记：标记GC Roots能直接关联到的对象，并修改TAMS（Next Top at Mark Start）的值
   
2. 并发标记：对堆的对象进行可达性分析
   
3. 最终标记：修正并发标记阶段中发生对象变化的变动
   
4. 筛选回收：
   

9. 理解GC日志
   
10. 使用垃圾收集器参数
    

参数	描述
UseSerialGC	虚拟机运行在Client模式下的默认值，打开此开关后，使用Serial+Serial Old的收集器组合进行内存回收
UseParNewGC	打开此开关后，使用ParNew+Serial Old的收集器组合进行内存回收
UseConcMarkSweepGC	打开此开关后，使用ParNew+CMS+Serial Old的收集器组合进行内存回收。Serial old作为CMS出现Concurrent Mode Failure后使用
UseParallelGC	虚拟机运行在Server模式下的默认值，打开此开关后，使用Parallel Scavenge+Serial Old（PS MarkSWeep）的收集器组合进行内存回收
UseParallelOldGC	打开此开关后，使用Parallel Scavenge+Parallel Old收集器组合进行内存回收
SurvivorRatio	新生代中Eden区域与Survivor区域的容量比值，默认为8，代表Eden：Survivor=8:1
PretenureSizeThreshold	直接普升到老年代的对象大小
MaxTenuringThreshold	新生代普升到老年代的最大年龄
UseAdaptiveSizePolicy	动态调整Java堆中各个区域的大小以及进入老年代的年龄
HandlePromotionFailure	是否允许分配担保失败
ParallelGCThreads	设置并行GC时进行内存回收的线程数
GCTimeRatio
MaxGCPauseMills
CMSInitiatingOccupancyFarction
UseCMSCompactAtFullCollection
CMSFullGCsBeforeCompaction

六、内存分配和回收策略

1. 对象分配：一般在堆上分配，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；对象分配主要在新生代的Eden区上，如果启动了本地线程分配缓冲，将按线程优先在TLAB上分配
   
2. 对象优先在Eden区分配
   

1. 当Eden区没有足够空间进行分配时，虚拟机将发起一次Minor GC（新生代GC）
   

1. 老年代GC（Major GC/Full GC）
   

2. –XX:+PrintGCDetails:打印内存回收日志，
   

3. 大对象直接进入老年代
   

3. –XX：PretenureSizeThreshold:大于该值的对象直接分配到老年代
   

4. 长期存活的对象将进入老年代
   

1. 虚拟机给每个对象定义一个对象年龄（Age）计数器
   
2. –XX:MaxTenuringThreshold:对象被分配老年代的阀值
   

5. 动态对象年龄判断
   

1. 若在Survivor空间中相同年龄的所有对象占用的内存大于Survivor空间的一半，那么凡是大于该年龄的对象直接进入老年代
   

6. 空间分配担保
   

1. 当老年代最大可用的连续空间小于新生代所有对象的总空间大小，那么Minor GC可能不安全
   
2. –XX：-HandlePromotionFailure：是否允许空间分配担保
   

1. 允许：若最大可用连续空间大于历次晋升到老年代的对象的平均大小，允许尝试一次Minor GC
   
2. 否则：进行一次Full GC