【gc】java 垃圾回收基础

1. 认识                   

                                                详情 参看oracle 官网原文 ：Java Garbage Collection Basics

GC ： Garbage Collection ，垃圾回收；

JVM：Java Virtural Machine，Java 虚拟机；相当于一个抽象的计算机，每个 JVM 实现一个 特定的 操作系统，JVM 负责将 Java 程序指令 编译为 可以在本地操作系统上运行的 指令和命令，这样 Java 程序就实现了 平台的独立性；

JRE ：Java Runtime Environment ，Java 运行环境； JRE 由 JVM ，Java 平台核心类，以及支持 Java 平台的 类库组成；

JDK：Java Development Kit，Java 开发工具包；开发 Java 应用的一系列 工具集合；

1.1. 探索 JVM 架构

Hotspot 架构

Hotspot 是 一种主流的 JVM，sun 公司 目前使用的 JVM ；

Hotspot JVM  中使用了 热点代码探索技术（Hotspot）；

Hotspot JVM 架构图（摘自oracle 官网）



更详细的架构图 （摘自网友）



从图中可以看出，JVM 的主要组成包括：

① classloader：类加载器，java 提供 三种 classloader

        Bootstrap classloader ：顶层类加载器 ，负责加载核心类库，如java 的 rt.jar

        Extension classloader：扩展类加载器，负责加载  jre/lib/ext 中的类库

        Application classloader：系统类加载器，负责加载应用程序classpath 目录下的 jar 和 class 文件

② 运行数据区域（runtime data area）：包括 

     method area ：方法区对所有线程共享，用于存储 每个类的 结构，例如 运行时常量池，字段 和 方法 数据，以及方法和构造函数的代码；

原文：

It stores per-class structures such as the run-time constant pool, field and method data,
and the code for methods and constructors, including the special methods (§2.9) used in class
and instance initialization and interface initialization.

                     常量池：一个运行时常量池 是   每个类或者每个接口 运行时 常量池表的 表现，其中包含了几种常量；

     Heap：堆，当 JVM 启动时，创建 堆，堆对 JVM 所有线程所共享，该内存用于分配 所有的 类实例 和  数组

     Java Thread ：java 线程；每个 JVM 线程在创建时都会创建一个 私有的 JVM  stack（栈），一个 JVM stack 保存着 帧（frame）；JVM 栈中持有本地变量和 部分结果，并且是在 方法调用和 返回中起作用；JVM 栈 不能够直接被 操作，除了 pop 和 push 帧（frame）,帧可能是已分配的 堆（堆的地址）；

     Program Counter Registers：JVM 支持 多线程同时执行，每个 JVM  线程都对应着一个 pc register，用于记录当前 JVM 指令 执行的地址，如果当前被线程执行的方法是 native ，则 其值为 undefined；

     Native Internal Threads：本地方法栈，传统的 栈，通俗的说就是  C 栈，用来支持 native 方法（非 java 程序语言写的方法）

③ 执行引擎 （execution engine）：包括

    JIT compiler

    Garbage Collector

专注于性能优化的三个部分：

    Heap ： 堆 ，对象数据保存的地方 ；启动后 被 选定的 Garbage Collector 管理；大多数的优化方案是 堆的大小 和  选择最合适的 垃圾收集器（Garbage Collector）

    JIT Compiler：

    Garbage Collector：

1.2 性能 基础

通常，当优化一个 java 应用时， 两个主要关注点是 ：  响应 和 吞吐量；

响应：专注于 响应的应用，长时间的等待是不可接受的；

吞吐量：专注于 吞吐量的应用，长时间的等待是可接受的；

2. 垃圾回收

自动垃圾回收 是  查看 堆内存的过程，标识出 哪些对象正在使用中 ，哪些对象没有在使用，然后删除没有在使用的对象；在使用中的对象 或者被引用的对象，意味着程序的某个部分仍然包含着指向该对象的指针；未在使用中的对象或者没有被引用的对象，不会再被程序中的任何部分所引用。所以对一个未被引用的对象 占用的内存可以进行回收；

回收步骤：

  ①  ： marking  ：标记

垃圾收集器标识出 哪些内存块正在使用中，哪些没有使用；

② ： normal deletion ：正常删除

移除未被引用的对象，保留被引用的对象和指向自由空间的指针；

②a  ： deletion with compacting：压缩性删除

在删除未被引用对象之后，将剩余的 被引用的对象进行压缩；这样使得新内存的分配更容易而且更快；

2.1 为什么要分代 进行垃圾回收

由于不得不 标记和压缩 JVM 中所有的对象，这使得效率并不高，当越来越多的对象被分配，导致垃圾回收时间越来越长；

经过对应用的分析显示， 大多数的 对象生命周期很短；因此 ，堆（heap）被分成更小的部分 或者 代；

堆的被分成的部分：

         ①  Yong Generation：                新生代 ，包括 1个 eden 区域 和 2个 survivor 区域

新生代是 所有新的对象被分配的 和 老化的地方；当新生代被填满之后，会触发
minor garbage collection ；minor 垃圾收集会根据 对象的消亡率来优化处理的速度；存活（仍然被引用）的对象老化，并最终移到 老年代； 所有的 minor gc 事件都属于 "stop the world "事件；即所有的应用线程都会停止，直到操作完成；

         ② Old or Tenured Generation ：老年代

老年代 被用来保存 长时间存活的对象，通常，新生代对象都设置了一个临界值，如果达到了这个临界值，这个对象便会被移动到 老年代。最终老年代会被收集。这个事件被称为 一个major garbage collection。major gc 也属于  Stop the world events ；通常 major gc 更慢，因为涉及了所有存活的对象；所以对于 追求响应的应用，major gc
应该最小化；

         ③  Permanent Generation：     永久代

永久代 包含了 JVM 需要的元数据 ，这些元数据用于描述应用中使用到的类和 方法；永久代是被  基于应用中使用到的类的运行时 JVM 填充的；同时，Java SE 类库类和 方法也可能保存在这里；如果 JVM 发现 类不再需要 并且 其他类需要空间，那么这个类就会被 收集（卸载）；

图示如下（Note： java 1.8 中已经不存在 永久代,这部分的数据被从堆内存中转移到了 本地内存中，这样就避免了永久代的内存溢出的错误，而且jvm设置参数也有变化）：



3. 分代垃圾回收过程

3.1 首先，任何新的对象都会被分配到 Young Generation 的 eden 区，两个 survivor  区 刚开始都是清空的；



3.2 当 eden 区 被分配满之后，一个  minor gc 被触发；



3.3 被引用的对象 被移到第一个 survivor 区（S0）。当 eden 被清空时，未被引用的对象会 被删除



3.4 当触发下一个 minor gc时，重复上面的动作：被引用的对象移动到 survivor 区，未被引用的对象被删除；不同的是，被引用的对象此时被移动到第二个 survivor 区（S1）,而且来自于 上一个 minor gc 存在于 第一个 survivor 区（S0）的对象 的年龄（age）会增长并且会被移动到 第二个 survivor 区（S1）；一旦所有幸存对象都被移动到 S1，S0 和 eden 就会被清空；注意 此时 在 survivor 区 中的对象拥有不同的年龄段；



3.5 下一个 minor gc， 重复同样的过程。但是这一次 survivor 区 会进行交换：也就是此时，被引用的对象会从 eden 和 S1 移动到 S0，幸存的对象 老龄化， Eden 和 S1 会被清空；



3.6 就这样重复的动作，如果一个 minor GC 之后，当老龄化的对象 达到了一定的年龄临界值（这里演示的为8，默认的为15），这些对象会从 新生代 提升为 老年代（Tenured）中；



3.7  minor GC 不断的产生对象 会 不断 提升 老年代 的 区域空间；



3.8 最终，一个 Major GC 会 清理  并且压缩 老年代；



4. 实例演示：略，参看原文过程；

5. Java 垃圾收集器种类

5.1 常见堆的 参数设置（jvm 1.8 不适用）（更详细的参数设置，可以参看网友的整理，JVM7，8详解及优化）

Switch	Description
-Xms	当 JVM 启动时，设置 堆 的初始化大小
-Xmx	设置最大的堆大小
-Xmn	设置新生代的大小
-XX:PermSize	设置永久代的开始大小
-XX:MaxPermSize	设置永久代的最大尺寸

5.2  Serial GC （串行 垃圾收集）

在 Java SE 5 和 Java SE 6 中 serial 收集器 是默认的 收集机制；使用该 收集器，minor 垃圾收集 和 major 垃圾收集 会 串行执行（使用了单一的虚拟 CPU）；而且，他使用了标记压缩的收集方法；

命令行开关设置：开启使用 串行垃圾收集器

-XX:+UseSerialGC

5.3 Parallel GC （并行 垃圾收集）：也被称为 吞吐量收集器

parallel garbage collector 使用 多线程 执行 新生代的垃圾收集。在 拥有 N核 CPU的主机上，Parallel 垃圾收集器 默认 使用 N 个 垃圾收集器线程；垃圾收集器线程可以使用命令行进行设置：

-XX:ParallelGCThreads=<desired number>

命令行开关设置：开启 使用 并行垃圾收集器

-XX:+UseParallelOldGC

5.4 Concurrent Mark  Sweep（CMS）Collector :

也被叫做  concurrent low pause  collector，用于收集 老年代。该收集器 尝试在应用线程执行的 同时进行 垃圾收集工作 ，以此来  最小化 因为 垃圾收集造成的停顿。正常该收集器 不会 拷贝 或者 压缩 存活的对象

开启 CMS 收集器：

-XX:+UseConcMarkSweepGC

设置使用的线程数

-XX:ParallelCMSThreads=<n>

5.5  G1  垃圾收集器

Garbage first 或者  G1 垃圾收集器 在 Java 7 使用到， 被设计用来替代 CMS 收集器；G1 收集器 是一个  并行的（parallel），同步的（concurrent），增量压缩低等待的 垃圾收集器；

开启 G1 垃圾收集器：

-XX:UseG1GC