Java之JVM垃圾回收

1.JVM的架构

JVM内存模型.png

说明:

Java栈,程序计数器,本地方法栈是线程独享的
方法区,堆是线程共享的

GC的作用范围

2.常用GC算法

2.1 引用计数法

给堆中的对象添加一个引用计数器,每当有地方引用时,该对象实例的计数器就+1,当引用失效时,计数器就-1,如果 一个对象没有指向自己的引用,即该对象被引用的计数为0(即说明该对象不可能再被使用)。优点:速度快,缺点:无法解决循环依赖的问题。


引用计数法

2.2.复制(Copying)

复制算法

2.3. 标记-清除算法(Mark-Sweep)

标记阶段:标出需要回收的对象
清除阶段:统一回收
特点:两个过程效率不高,还有碎片问题


标记-清除算法

2.4. 标记-压缩算法(Mark-Compact)

标记-清除算法

2.5.标记-清除-压缩算法(Generational Collection)

标记-清除-压缩算法

\color{#ea4335}{备}\color{#ea4335}{注}
压缩带来了更好的存储空间,但是带来了很大的性能压力,特别是针对响应时间的Web服务。如何解决压缩时带来的STW,仍然是很大的问题。

2.6 GC Roots可达性分析

Java采用可达性分析算法(即根搜索算法)来判定对象是否是存活的,即以GC Roots的对象作为起点,向下搜索,当一个对象到GC Roots没有任何引用路径(即从GC Roots到这个对象不可达),则证明这个对象是不可用的。
Java中的GC Roots对象包含下面几种:
1.JVM栈的引用的对象;
2.方法区的静态属性引用的对象;
3.方法区的常量引用的对象;
4.本地方法栈中Native方法的引用的对象。

简而言之:GC Roots是Java main(String[] args)方法中可以访问的对象。

GC Roots可达.png

3.Sun HotSpot内存管理

JavaHeap结构.png
HotSpot内存管理
新生代

备注:记录对象回收年代的存储空间为4个bit,因此对象在新生代最大的年龄可设置为15。

旧生代
JVM分代的原因:

将更多的对象在新生代回收,更少的对象分配到老年代,减少每次回收的STW时间,提高系统性能,回收效率和吞吐量。

4.Sun HotSpot 垃圾回收器

概览
串行 vs 并行
STW vs 并发

4.1新生代的GC

新生代可用GC
Serial Copying
ParNew

备注:ParNew垃圾回收器主要是为了配合CMS,其原理和Parallel Scanvenge相同,主要解决Parallel Scanvenge不支持CMS的问题。

Parallel Scanvenge
Parallel Scanvenge

4.2旧生代的GC

旧生代可用的GC
Serial 标记-清除-压缩
Parallel 压缩
Parallel 压缩算法描述
Concurrent 标记-清除(Concurrent Mark-Sweep,即CMS)
CMS算法描述
CMS特点

说明:
1.初始标记只标记GC Roots直接可达的对象,因此速度很快;
2.并发标记算法十分复杂;
3.CMS采用“标记+清除”的算法,会对老年代产生碎片,当碎片过多导致老年代空间不够时,会触发“标记+清除+压缩”算法,而这时候使用的时单线程的Serial Old垃圾回收,进行碎片整理,导致STW,特别是当老年代空间很大时,STW时间急剧增加,甚至导致几个小时,甚至几十个小时。这种情况的出现对Web服务不可接受,这也是JDK不默认采用CMS的原因。

5 垃圾回收器的组合

image.png

目前JDK 8默认的垃圾回收器是"Parallel Scanvenge + Parallel Old";
目前JDK 9默认的垃圾回收器是"G1";

组合的选择

说明:
如果追求吞吐量(即数据量的处理能力,不追求响应时间,即使出现请求的长时间等待也可接受),那么垃圾回收器选择"Parallel Scanvenge + Parallel Old";
如果追求响应时间(一般Web服务项目),针对响应时间需求要根据监控情况进行优化,无监控不优化,明确优化的目的是什么。

JVM垃圾回收器的路线图:

1) Serial回收器

是Java刚诞生时,内存普遍较小,都在MB级别,串行执行导致的STW时间并不长,系统任然可以接受;

2) Parallel回收器

是随着JVM内存的逐渐增大到GB和几十GB,Serial回收器导致的STW越来越长,不能满足业务需求,因此出现Parallel回收器,降低STW的时间;

3) CMS回收器

为最求响应时间,以增加GC总时间为代价的方式,减低STW时间,但也出现了内存不够时,碎片整理时的Serial进行导致更长的STW问题,故CMS的地位比较尴尬,这也是为什么没有JDK的版本默认是CMS垃圾回收器。

4) G1回收器

针对以上几种的老年代回收器,需要扫描整个老年代空间导致STW不可控的问题,G1采取了物理上分区,逻辑上分代的思想,追求在有限的STW时间内回收高回收价值的物理分区,即根据可接受的STW时间来决定回收多少物理分区,极大地缩短了STW时间,并解决了碎片问题。目前JDK9默认是G1垃圾回收器。G1适用于几十到几百GB,但是不适用于4TB以上的场景,不过已经满足绝大多数场景。

5) JVM垃圾回收器的未来

随着内存的越来越大,目前开发中的垃圾回收器有ZGC、Shenandoash和Epsilon等,这些都是取消了JVM的分代模型,支持十几TB,甚至几十TB级别的垃圾回收,有机会后续再分解。

6.JVM调优

堆的大小

-Xms 指定启动时内存大小;
-Xmx 指程序运行时最大可用内存大小,程序运行中内存大于这个值会 OutOfMemory;
-Xmn 年轻代大小(整个JVM内存大小 = 年轻代 + 年老代 + 永久代);
-Xss 设置每个线程的堆栈大小;

Xms和Xmx
新生代调优-大小
新生代调优-晋升1
新生代调优-晋升2
旧生代调优
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