JVM深度解析和面试点3：HotSpot垃圾收集器和内存分配与回收策略

问题导读：
1、如何理解新生代垃圾收集器？
2、什么是老年代垃圾收集器？
3、如何理解内存分配与回收策略？
4、空间分配担保如何理解？

上一篇：JVM深度解析和面试点2：JVM内存结构

HotSpot垃圾收集器

Serial 垃圾收集器（单线程）

只开启一条 GC 线程进行垃圾回收，并且在垃圾收集过程中停止一切用户线程(Stop The World)。
一般客户端应用所需内存较小，不会创建太多对象，而且堆内存不大，因此垃圾收集器回收时间短，即使在这段时间停止一切用户线程，也不会感觉明显卡顿。因此 Serial 垃圾收集器适合客户端使用。
由于 Serial 收集器只使用一条 GC 线程，避免了线程切换的开销，从而简单高效。

ParNew 垃圾收集器（多线程）
ParNew 是 Serial 的多线程版本。由多条 GC 线程并行地进行垃圾清理。但清理过程依然需要 Stop The World。
ParNew 追求“低停顿时间”,与 Serial 唯一区别就是使用了多线程进行垃圾收集，在多 CPU 环境下性能比 Serial 会有一定程度的提升；但线程切换需要额外的开销，因此在单 CPU 环境中表现不如 Serial。



Parallel Scavenge 垃圾收集器（多线程）
Parallel Scavenge 和 ParNew 一样，都是多线程、新生代垃圾收集器。但是两者有巨大的不同点：

• Parallel Scavenge：追求 CPU 吞吐量，能够在较短时间内完成指定任务，因此适合没有交互的后台计算。
• ParNew：追求降低用户停顿时间，适合交互式应用。
  

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)
追求高吞吐量，可以通过减少 GC 执行实际工作的时间，然而，仅仅偶尔运行 GC 意味着每当 GC 运行时将有许多工作要做，因为在此期间积累在堆中的对象数量很高。单个 GC 需要花更多的时间来完成，从而导致更高的暂停时间。而考虑到低暂停时间，最好频繁运行 GC 以便更快速完成，反过来又导致吞吐量下降。

• 通过参数 -XX:GCTimeRadio 设置垃圾回收时间占总 CPU 时间的百分比。
• 通过参数 -XX:MaxGCPauseMillis 设置垃圾处理过程最久停顿时间。
• 通过命令 -XX:+UseAdaptiveSizePolicy 开启自适应策略。我们只要设置好堆的大小和 MaxGCPauseMillis 或 GCTimeRadio，收集器会自动调整新生代的大小、Eden 和 Survivor 的比例、对象进入老年代的年龄，以最大程度上接近我们设置的 MaxGCPauseMillis 或 GCTimeRadio。
  

老年代垃圾收集器Serial Old 垃圾收集器（单线程）

Serial Old 收集器是 Serial 的老年代版本，都是单线程收集器，只启用一条 GC 线程，都适合客户端应用。它们唯一的区别就是：Serial Old 工作在老年代，使用“标记-整理”算法；Serial 工作在新生代，使用“复制”算法。

Parallel Old 垃圾收集器（多线程）
Parallel Old 收集器是 Parallel Scavenge 的老年代版本，追求 CPU 吞吐量。

CMS 垃圾收集器
CMS(Concurrent Mark Sweep，并发标记清除)收集器是以获取最短回收停顿时间为目标的收集器（追求低停顿），它在垃圾收集时使得用户线程和 GC 线程并发执行，因此在垃圾收集过程中用户也不会感到明显的卡顿。

• 初始标记：Stop The World，仅使用一条初始标记线程对所有与 GC Roots 直接关联的对象进行标记。
• 并发标记：使用多条标记线程，与用户线程并发执行。此过程进行可达性分析，标记出所有废弃对象。速度很慢。
• 重新标记：Stop The World，使用多条标记线程并发执行，将刚才并发标记过程中新出现的废弃对象标记出来。
• 并发清除：只使用一条 GC 线程，与用户线程并发执行，清除刚才标记的对象。这个过程非常耗时。
  

并发标记与并发清除过程耗时最长，且可以与用户线程一起工作，因此，总体上说，CMS 收集器的内存回收过程是与用户线程一起并发执行的。


CMS 的缺点：

• 吞吐量低
• 无法处理浮动垃圾，导致频繁 Full GC
• 使用“标记-清除”算法产生碎片空间
  

对于产生碎片空间的问题，可以通过开启 -XX:+UseCMSCompactAtFullCollection，在每次 Full GC 完成后都会进行一次内存压缩整理，将零散在各处的对象整理到一块。设置参数 -XX:CMSFullGCsBeforeCompaction告诉 CMS，经过了 N 次 Full GC 之后再进行一次内存整理。

G1 通用垃圾收集器
G1 是一款面向服务端应用的垃圾收集器，它没有新生代和老年代的概念，而是将堆划分为一块块独立的 Region。当要进行垃圾收集时，首先估计每个 Region 中垃圾的数量，每次都从垃圾回收价值最大的 Region 开始回收，因此可以获得最大的回收效率。
从整体上看， G1 是基于“标记-整理”算法实现的收集器，从局部（两个 Region 之间）上看是基于“复制”算法实现的，这意味着运行期间不会产生内存空间碎片。
这里抛个问题 一个对象和它内部所引用的对象可能不在同一个 Region 中，那么当垃圾回收时，是否需要扫描整个堆内存才能完整地进行一次可达性分析？
并不！每个 Region 都有一个 Remembered Set，用于记录本区域中所有对象引用的对象所在的区域，进行可达性分析时，只要在 GC Roots 中再加上 Remembered Set 即可防止对整个堆内存进行遍历。
如果不计算维护 Remembered Set 的操作，G1 收集器的工作过程分为以下几个步骤：

• 初始标记：Stop The World，仅使用一条初始标记线程对所有与 GC Roots 直接关联的对象进行标记。
• 并发标记：使用一条标记线程与用户线程并发执行。此过程进行可达性分析，速度很慢。
• 最终标记：Stop The World，使用多条标记线程并发执行。
• 筛选回收：回收废弃对象，此时也要 Stop The World，并使用多条筛选回收线程并发执行。
  

内存分配与回收策略

对象的内存分配，就是在堆上分配（也可能经过 JIT 编译后被拆散为标量类型并间接在栈上分配），对象主要分配在新生代的 Eden 区上，少数情况下可能直接分配在老年代，分配规则不固定，取决于当前使用的垃圾收集器组合以及相关的参数配置。
以下列举几条最普遍的内存分配规则，供大家学习。

对象优先在 Eden 分配
大多数情况下，对象在新生代 Eden 区中分配。当 Eden 区没有足够空间进行分配时，虚拟机将发起一次 Minor GC。

Minor GC vs Major GC/Full GC：

• Minor GC：回收新生代（包括 Eden 和 Survivor 区域），因为 Java 对象大多都具备朝生夕灭的特性，所以 Minor GC 非常频繁，一般回收速度也比较快。
• Major GC / Full GC: 回收老年代，出现了 Major GC，经常会伴随至少一次的 Minor GC，但这并非绝对。Major GC 的速度一般会比 Minor GC 慢 10 倍 以上。
  

在 JVM 规范中，Major GC 和 Full GC 都没有一个正式的定义，所以有人也简单地认为 Major GC 清理老年代，而 Full GC 清理整个内存堆。

大对象直接进入老年代

大对象是指需要大量连续内存空间的 Java 对象，如很长的字符串或数据。
一个大对象能够存入 Eden 区的概率比较小，发生分配担保的概率比较大，而分配担保需要涉及大量的复制，就会造成效率低下。
虚拟机提供了一个 -XX:PretenureSizeThreshold 参数，令大于这个设置值的对象直接在老年代分配，这样做的目的是避免在 Eden 区及两个 Survivor 区之间发生大量的内存复制。（还记得吗，新生代采用复制算法回收垃圾）

长期存活的对象将进入老年代
VM 给每个对象定义了一个对象年龄计数器。当新生代发生一次 Minor GC 后，存活下来的对象年龄 +1，当年龄超过一定值时，就将超过该值的所有对象转移到老年代中去。使用 -XXMaxTenuringThreshold 设置新生代的最大年龄，只要超过该参数的新生代对象都会被转移到老年代中去。

动态对象年龄判定
如果当前新生代的 Survivor 中，相同年龄所有对象大小的总和大于 Survivor 空间的一半，年龄 >= 该年龄的对象就可以直接进入老年代，无须等到 MaxTenuringThreshold 中要求的年龄。

空间分配担保
JDK 6 Update 24 之前的规则是这样的：
在发生 Minor GC 之前，虚拟机会先检查老年代最大可用的连续空间是否大于新生代所有对象总空间， 如果这个条件成立，Minor GC 可以确保是安全的； 如果不成立，则虚拟机会查看 HandlePromotionFailure 值是否设置为允许担保失败， 如果是，那么会继续检查老年代最大可用的连续空间是否大于历次晋升到老年代对象的平均大小， 如果大于，将尝试进行一次 Minor GC,尽管这次 Minor GC 是有风险的； 如果小于，或者 HandlePromotionFailure 设置不允许冒险，那此时也要改为进行一次 Full GC。
JDK 6 Update 24 之后的规则变为：
只要老年代的连续空间大于新生代对象总大小或者历次晋升的平均大小，就会进行 Minor GC，否则将进行 Full GC。
通过清除老年代中废弃数据来扩大老年代空闲空间，以便给新生代作担保。
这个过程就是分配担保。

总结一下有哪些情况可能会触发 JVM 进行 Full GC。

• System.gc() 方法的调用
  此方法的调用是建议 JVM 进行 Full GC，注意这只是建议而非一定，但在很多情况下它会触发 Full GC，从而增加 Full GC 的频率。通常情况下我们只需要让虚拟机自己去管理内存即可，我们可以通过 -XX:+ DisableExplicitGC 来禁止调用 System.gc()。
• 老年代空间不足
  老年代空间不足会触发 Full GC操作，若进行该操作后空间依然不足，则会抛出如下错误：
  java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
• 永久代空间不足
  JVM 规范中运行时数据区域中的方法区，在 HotSpot 虚拟机中也称为永久代（Permanet Generation），存放一些类信息、常量、静态变量等数据，当系统要加载的类、反射的类和调用的方法较多时，永久代可能会被占满，会触发 Full GC。如果经过 Full GC 仍然回收不了，那么 JVM 会抛出如下错误信息：
  java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space
• CMS GC 时出现 promotion failed 和 concurrent mode failure
  promotion failed，就是上文所说的担保失败，而 concurrent mode failure 是在执行 CMS GC 的过程中同时有对象要放入老年代，而此时老年代空间不足造成的。
• 统计得到的Minor GC晋升到旧生代的平均大小大于老年代的剩余空间
  

作者：wangzhiwubigdata
来源：https://github.com/wangzhiwubigdata/God-Of-BigData/blob/master/JVM/HotSpot

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