聊聊Java的GC机制

使用Java快一年时间了，从最早大学时候对Java的憎恶，到逐渐接受，到工作中体会到了Java开发的各种便捷与福利，这确实是一门不错的开发语言。不仅是Intellij开发Java程序的爽快，还有无需手动管理内存的便捷、Maven管理依赖的整洁、SpringCloud(SpringBoot)大礼包的规整等等。

所以，作为一个有追求的Java程序员，深入底层掌握GC（垃圾回收）的机制，应该算是必备的技能了。本文即我在学习过程中的一些个人观点以及心得，不正之处敬请指正。

一、 JVM的运行数据区

首先我简单来画一张JVM的结构原理图：

我们重点关注JVM在运行时的数据区，你可以看到在程序运行时，大致有5个部分：

（1）方法区

不止是存“方法”，而是存储整个class文件的信息，JVM运行时，类加载器子系统将会提取class文件里面的类信息，并将其存放在方法区中。例如类的名称、类的类型（枚举、类、接口）、字段、方法等等。

（2）堆（Heap）

熟悉c/c++编程的同学们应该相当熟悉Heap了，而对于Java而言，每个应用都唯一对应一个JVM实例，而每一个JVM实例唯一对应一个堆。堆主要包括关键字new的对象实例、this指针，或者数组都放在堆中，并由应用所有的线程共享。堆由JVM的自动内存管理机制所管理，名为垃圾回收——GC（garbage collection）。

（3）栈（Stack）

操作系统内核为某个进程或者线程建立的存储区域,它保存着一个线程中的方法的调用状态，它具有先进后出的特性。在栈中的数据大小与生命周期严格来说都是确定的，例如在一个函数中声明的int变量便是存储在stack中，它的大小是固定的，在函数退出后它的生命周期也从此结束。在栈中，每一个方法对应一个栈帧，JVM会对Java栈执行两种操作： 压栈和出栈。 这两种操作在执行时都是以栈帧为单位的。还有一些常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。

（4）PC寄存器

pc寄存器用于存放一条指令的地址，每一个线程都有一个PC寄存器。

（5）本地方法栈

用来调用其他语言的本地方法，例如C/C++写的本地代码， 这些方法在本地方法栈中执行，而不会在Java栈中执行。

二、初识GC

自动垃圾回收机制，简单来说就是寻找Java堆中的无用对象。打个比方：你的房间是JVM的内存，你在房间里生活会制造垃圾和脏乱，而你妈就是在对你的房间GC。你妈每时每刻都觉得你房间很脏乱，不时要把你赶出门打扫房间，如果你妈一直在房间打扫，那么这个过程你无法继续在房间打游戏吃泡面。但如果你一直在房间，你的房间早晚要变成一个无法居住的猪窝。

那么，怎么样回收垃圾比较好呢？我们大致可以想出下面的思路：

(1) Marking

首先，所有堆中的对象都会被扫描一遍：我们总得知道哪些是垃圾，哪些是有用的物品吧。因为垃圾实在太多了，所以，你妈会把所有的要扔掉的东西都找出来并打上一个标签，到了时机成熟时回头来一起处理，这样她就能处理你不需要的废物、旧家具，而不是把你喜欢的衣服或者身份证之类的东西扔掉。

(2) Normal Deletion

垃圾收集器将清除掉标记的对象：你妈已经整理了一部分杂物（或者已全部整理完），然后会将他们直接拎出去倒掉。你很开心房间又可以继续接受蹂躏了。

(3) Deletion with Compacting

压缩清除的方法：我们知道，内存有空闲，并不代表着我们就能使用它，例如我们要分配数组这种一段连续空间，假如内存中碎片较多，肯定是行不通的。正如房间可能需要再放一个新的床，但是扔掉旧衣柜后，原来的位置并不能放得下新床，所以需要进行空间压缩，把剩下的家具和物品位置并到一起，这样就能腾出更多的空间啦。

有趣的是，JVM并不是使用类似于objective-c的ARC（Automatic Reference Counting）的方式来引用计数对象，而是使用了叫根搜索算法(GC Root)的方法，基本思想就是选定一些对象作为GC Roots，并组成根对象集合，然后从这些作为GC Roots的对象作为起始点，搜索所走过的引用链（Reference Chain）。如果目标对象到GC Roots是连接着的，我们则称该目标对象是可达的，如果目标对象不可达，则说明目标对象是可以被回收的对象。

GC Root使用的算法是相当复杂的，你不必记住里面的所有细节。但是你要知道的一点就是，可以作为GC Root的对象可以主要分为四种：

1、JVM栈中引用的对象； 
2、方法区中，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（即Native方法）引用的对象； 

在JDK1.2之后，Java将引用分为强引用、软引用、弱引用、虚引用4种，这4种引用强度依次减弱。

三、分代与GC机制

嗯，听起来这样就可以了？但是实际情况下，很不幸，在JVM中绝大部分对象都是英年早逝的，在编码时大部分堆中的内存都是短暂临时分配的，所以无论是效率还是开销方面，按上面那样进行GC往往是无法满足我们需求的。而且，实际上随着分配的对象增多，GC的时间与开销将会放大。所以，JVM的内存被分为了三个主要部分：新生代，老年代和永久代。

（1）新生代

所有新产生的对象全部都在新生代中，Eden区保存最新的对象，有两个Survivor Space——S1和S0，三个区域的比例大致为8:1:1。当新生代的Eden区满了，将触发一次GC，我们把新生代中的GC称为minor garbage collections。minor garbage collections是一种Stop the world事件，比如你妈在打扫时，会把你赶出去，而不是你一边扔垃圾她一边打扫。

我们来看下对象在堆中的分配过程，首先有新的对象进入时，默认放入新生代的Eden区，S区都是默认为空的。下面对象的数字代表经历了多少次GC，也就是对象的年龄。

当eden区满了，触发minor garbage collections，这时还有被引用的对象，就会被分配到S0区域，剩下没有被引用的对象就都会被清除。

再一次GC时，S0区的部分对象很可能会出现没有引用的，被引用的对象以及S0中的存活对象，会被一起移动到S1中。eden和S0中的未引用对象会被全部清除。

接下来就是无限循环上面的步骤了，当新生代中存活的对象超过了一定的【年龄】，会被分配至老年代的Tenured区中。这个年龄可以通过参数MaxTenuringThreshold设定，默认值为15，图中的例子为8次。

新生代管理内存采用的算法为GC复制算法(Copying GC)，也叫标记-复制法，原理是把内存分为两个空间:一个From空间，一个To空间，对象一开始只在From空间分配，To空间是空闲的。GC时把存活的对象从From空间复制粘贴到To空间，之后把To空间变成新的From空间，原来的From空间变成To空间。

首先标记不可达对象： 然后移动存活的对象到to区，并保证他们在内存中连续： 清扫垃圾：

可以看到上图操作后内存几乎都是连续的，所以它的效率是非常高的，但是相对的吞吐量会较大。并且，把内存一分为二，占用了将近一半的可用内存。用一段伪代码来实现大致为下：

void copying(){
        $free = $to_start // $free表示To区占用偏移量，每复制成功一个对象obj, 
                          // $free向前移动size(obj)
        for(r : $roots)
            *r = copy(*r) // 复制成功后返回新的引用

        swap($from_start, $to_start) // GC完成后交互From区与To区的指针
    }

（2）老年代

老年代用来存储活时间较长的对象，老年代区域的GC是major garbage collection，老年代中的内存不够时，就会触发一次。这也是一个Stop the world事件，但是看名字就知道，这个回收过程会相当慢，因为这包括了对新生代和老年代所有对象的回收，也叫Full GC。

老年代管理内存最早采用的算法为标记-清理算法，这个算法很好理解，结合GC Root的定义，我们会把所有不可达的对象全部标记进行清除。

在清除前，黄色的为不可达对象：

在清除后，全部都变成可达对象：

那么，这个算法的劣势很好理解：对，会在标记清除的过程中产生大量的内存碎片，Java在分配内存时通常是按连续内存分配，这样我们会浪费很多内存。所以，现在的JVM GC在老年代都是使用标记-压缩清除方法，将上图在清除后的内存进行整理和压缩，以保证内存连续，虽然这个算法的效率是三种算法里最低的。

（3）永久代

永久代位于方法区，主要存放元数据，例如Class、Method的元信息，与GC要回收的对象其实关系并不是很大，我们可以几乎忽略其对GC的影响。除了Java HotSpot这种较新的虚拟机技术，会回收无用的常量和的类，以免大量运用反射这类频繁自定义ClassLoader的操作时方法区溢出。

四、GC收集器与优化

一般而言，GC不应该成为影响系统性能的瓶颈，我们在评估GC收集器的优劣时一般考虑以下几点：

（1）吞吐量
（2）GC开销
（3）暂停时间
（4）GC频率
（5）堆空间
（6）对象生命周期

所以针对不同的GC收集器，我们要对应我们的应用场景来进行选择和调优，回顾GC的历史，主要有4种GC收集器:Serial、Parallel、CMS和G1。

（1）Serial

Serial收集器使用了标记-复制的算法，可以用-XX:+UseSerialGC使用单线程的串行收集器。但是在GC进行时，程序会进入长时间的暂停时间，一般不太建议使用。

（2）Parallel

-XX:+UseParallelGC -XX:+UseParallelOldGC Parallel也使用了标记-复制的算法，但是我们称之为吞吐量优先的收集器，因为Parallel最主要的优势在于并行使用多线程去完成垃圾清理工作，这样可以充分利用多核的特性，大幅降低gc时间。 当你的程序场景吞吐量较大，例如消息队列这种应用，需要保证有效利用CPU资源，可以忍受一定的停顿时间，可以优先考虑这种方式。

（3）CMS(Concurrent Mark Sweep)

-XX:+UseParNewGC -XX:+UseConcMarkSweepGC CMS使用了标记-清除的算法，当应用尤其重视服务器的响应速度（比如Apiserver），希望系统停顿时间最短，以给用户带来较好的体验，那么可以选择CMS。CMS收集器在Minor GC时会暂停所有的应用线程，并以多线程的方式进行垃圾回收。在Full GC时不暂停应用线程，而是使用若干个后台线程定期的对老年代空间进行扫描，及时回收其中不再使用的对象。

（4）G1（Garbage First）

-XX:+UseG1GC 在堆比较大的时候，如果full gc频繁，会导致停顿，并且调用方阻塞、超时、甚至雪崩的情况出现，所以降低full gc的发生频率和需要时间，非常有必要。G1的诞生正是为了降低Full GC的次数，而相较于CMS，G1使用了标记-压缩清除算法，这可以大大降低较大内存（4GB以上）GC时产生的内存碎片。

G1提供了两种GC模式，Young GC和Mixed GC，两种都是Stop The World(STW)的。Young GC主要是对Eden区进行GC，Mix GC不仅进行正常的新生代垃圾收集，同时也回收部分后台扫描线程标记的老年代分区。

另外有趣的一点，G1将新生代、老年代的物理空间划分取消了，而是将堆划分为若干个区域（region），每个大小都为2的倍数且大小全部一致，最多有2000个。除此之外，G1专门划分了一个Humongous区，它用来专门存放超过一个region 50%大小的巨型对象。在正常的处理过程中，对象从一个区域复制到另外一个区域，同时也完成了堆的压缩。

（5）常用参数

-XX:+UseSerialGC：在新生代和老年代使用串行收集器

-XX:+UseParNewGC：在新生代使用并行收集器

-XX:+UseParallelGC ：新生代使用并行回收收集器，更加关注吞吐量

-XX:+UseParallelOldGC：老年代使用并行回收收集器

-XX:ParallelGCThreads：设置用于垃圾回收的线程数

-XX:+UseConcMarkSweepGC：新生代使用并行收集器，老年代使用CMS+串行收集器

-XX:ParallelCMSThreads：设定CMS的线程数量

-XX:+UseG1GC：启用G1垃圾回收器

（6）调优

针对调优这块，推荐可以看下美团点评的这个GC实战调优案例：《从实际案例聊聊Java应用的GC优化》。里面详细讲述了Minor GC频繁、CMS高峰期性能下降、Stop-The-World三个应用场景的问题分析过程，以及在应用程序编码优化空间不大的情况下，如何通过GC优化令系统性能达到一个质的提升。