JVM内存管理垃圾收集器GC

概述

　　说起垃圾收集（Garbage Collection，下文简称GC），大部分人都把这项技术当做Java语言的伴生产物。GC也是java的基础，要做好java开发那就离不开了解java的内存模型和垃圾回收。

垃圾回收算法

1、Mark-Sweep（标记-清除）算法

　　这是最基础的垃圾回收算法，之所以说它是最基础的是因为它最容易实现，思想也是最简单的。标记-清除算法分为两个阶段：标记阶段和清除阶段。标记阶段的任务是标记出所有需要被回收的对象，清除阶段就是回收被标记的对象所占用的空间。
　　 标记-清除算法实现起来比较容易，但是有一个比较严重的问题就是容易产生内存碎片，碎片太多可能会导致后续过程中需要为大对象分配空间时无法找到足够的空间而提前触发新的一次垃圾收集动作。

2、Copying（复制）算法

　　为了解决Mark-Sweep算法的缺陷，Copying算法就被提了出来。它将可用内存按容量划分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块。当这一块的内存用完了，就将还存活着的对象复制到另外一块上面，然后再把已使用的内存空间一次清理掉，这样一来就不容易出现内存碎片的问题。

3.Mark-Compact（标记-整理）算法

　　为了解决Copying算法的缺陷，充分利用内存空间，提出了Mark-Compact算法。该算法标记阶段和Mark-Sweep一样，但是在完成标记之后，它不是直接清理可回收对象，而是将存活对象都向一端移动，然后清理掉端边界以外的内存。
　　
4.Generational Collection（分代收集）算法

　　分代收集算法是目前大部分JVM的垃圾收集器采用的算法。它的核心思想是根据对象存活的生命周期将内存划分为若干个不同的区域。一般情况下将堆区划分为老年代（Tenured Generation）和新生代（Young Generation），老年代的特点是每次垃圾收集时只有少量对象需要被回收，而新生代的特点是每次垃圾回收时都有大量的对象需要被回收，那么就可以根据不同代的特点采取最适合的收集算法。
　　目前大部分垃圾收集器对于新生代都采取Copying算法，因为新生代中每次垃圾回收都要回收大部分对象，也就是说需要复制的操作次数较少，但是实际中并不是按照1：1的比例来划分新生代的空间的，一般来说是将新生代划分为一块较大的Eden空间和两块较小的Survivor空间，每次使用Eden空间和其中的一块Survivor空间，当进行回收时，将Eden和Survivor中还存活的对象复制到另一块Survivor空间中，然后清理掉Eden和刚才使用过的Survivor空间。
　　而由于老年代的特点是每次回收都只回收少量对象，一般使用的是Mark-Compact算法。
　　注意，在堆区之外还有一个代就是永久代（Permanet Generation），它用来存储class类、常量、方法描述等。对永久代的回收主要回收两部分内容：废弃常量和无用的类。
　　

垃圾收集器　　

　　垃圾收集算法是 内存回收的理论基础，而垃圾收集器就是内存回收的具体实现。下面介绍一下HotSpot（JDK 7)虚拟机提供的几种垃圾收集器，用户可以根据自己的需求组合出各个年代使用的收集器。
1.Serial/Serial Old
　　Serial/Serial Old收集器是最基本最古老的收集器，它是一个单线程收集器，并且在它进行垃圾收集时，必须暂停所有用户线程。Serial收集器是针对新生代的收集器，采用的是Copying算法，Serial Old收集器是针对老年代的收集器，采用的是Mark-Compact算法。它的优点是实现简单高效，但是缺点是会给用户带来停顿。
2.ParNew
　　ParNew收集器是Serial收集器的多线程版本，使用多个线程进行垃圾收集。
3.Parallel Scavenge
　　Parallel Scavenge收集器是一个新生代的多线程收集器（并行收集器），它在回收期间不需要暂停其他用户线程，其采用的是Copying算法，该收集器与前两个收集器有所不同，它主要是为了达到一个可控的吞吐量。
4.Parallel Old
　　Parallel Old是Parallel Scavenge收集器的老年代版本（并行收集器），使用多线程和Mark-Compact算法。
5.CMS
　　CMS（Current Mark Sweep）收集器是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器，它是一种并发收集器，采用的是Mark-Sweep算法。
6.G1
　　G1收集器是当今收集器技术发展最前沿的成果，它是一款面向服务端应用的收集器，它能充分利用多CPU、多核环境。因此它是一款并行与并发收集器，并且它能建立可预测的停顿时间模型。
　　

内存分配策略

　　了解GC其中很重要一点就是了解JVM的内存分配策略：即对象在哪里分配和对象什么时候回收。

　　关于对象在哪里分配，往大方向讲，主要就在堆上分配，但也可能经过JIT进行逃逸分析后进行标量替换拆散为原子类型在栈上分配，也可能分配在DirectMemory中（详见本文第一章）。往细节处讲，对象主要分配在新生代eden上，也可能会直接老年代中，分配的细节决定于当前使用的垃圾收集器类型与VM相关参数设置。我们可以通过下面代码来验证一下Serial收集器（ParNew收集器的规则与之完全一致）的内存分配和回收的策略。读者看完Serial收集器的分析后，不妨自己根据JVM参数文档写一些程序去实践一下其它几种收集器的分配策略。

public class YoungGenGC {    private static final int _1MB = 1024 * 1024;    public static void main(String[] args) {        // testAllocation();        testHandlePromotion();        // testPretenureSizeThreshold();        // testTenuringThreshold();        // testTenuringThreshold2();    }    /**         * VM参数：-verbose:gc -Xms20M -Xmx20M -Xmn10M   -XX:+PrintGCDetails -XX:SurvivorRatio=8     */    @SuppressWarnings("unused")    public static void testAllocation() {        byte[] allocation1, allocation2, allocation3, allocation4;        allocation1 = new byte[2 * _1MB];        allocation2 = new byte[2 * _1MB];        allocation3 = new byte[2 * _1MB];        allocation4 = new byte[4 * _1MB];  // 出现一次Minor GC    }    /**     * VM参数：-verbose:gc -Xms20M -Xmx20M -Xmn10M -XX:+PrintGCDetails -XX:SurvivorRatio=8     * -XX:PretenureSizeThreshold=3145728     */    @SuppressWarnings("unused")    public static void testPretenureSizeThreshold() {        byte[] allocation;        allocation = new byte[4 * _1MB];  //直接分配在老年代中    }    /**     * VM参数：-verbose:gc -Xms20M -Xmx20M -Xmn10M -XX:+PrintGCDetails -XX:SurvivorRatio=8 -XX:MaxTenuringThreshold=1     * -XX:+PrintTenuringDistribution     */    @SuppressWarnings("unused")    public static void testTenuringThreshold() {        byte[] allocation1, allocation2, allocation3;        allocation1 = new byte[_1MB / 4];  // 什么时候进入老年代决定于XX:MaxTenuringThreshold设置        allocation2 = new byte[4 * _1MB];        allocation3 = new byte[4 * _1MB];        allocation3 = null;        allocation3 = new byte[4 * _1MB];    }    /**     * VM参数：-verbose:gc -Xms20M -Xmx20M -Xmn10M -XX:+PrintGCDetails -XX:SurvivorRatio=8 -XX:MaxTenuringThreshold=15     * -XX:+PrintTenuringDistribution     */    @SuppressWarnings("unused")    public static void testTenuringThreshold2() {        byte[] allocation1, allocation2, allocation3, allocation4;        allocation1 = new byte[_1MB / 4];   // allocation1+allocation2大于survivo空间一半        allocation2 = new byte[_1MB / 4];          allocation3 = new byte[4 * _1MB];        allocation4 = new byte[4 * _1MB];        allocation4 = null;        allocation4 = new byte[4 * _1MB];    }    /**     * VM参数：-verbose:gc -Xms20M -Xmx20M -Xmn10M -XX:+PrintGCDetails -XX:SurvivorRatio=8 -XX:-HandlePromotionFailure     */    @SuppressWarnings("unused")    public static void testHandlePromotion() {        byte[] allocation1, allocation2, allocation3, allocation4, allocation5, allocation6, allocation7;        allocation1 = new byte[2 * _1MB];        allocation2 = new byte[2 * _1MB];        allocation3 = new byte[2 * _1MB];        allocation1 = null;        allocation4 = new byte[2 * _1MB];        allocation5 = new byte[2 * _1MB];        allocation6 = new byte[2 * _1MB];        allocation4 = null;        allocation5 = null;        allocation6 = null;        allocation7 = new byte[2 * _1MB];    }}

规则一：通常情况下，对象在eden中分配。当eden无法分配时，触发一次Minor GC。

　　执行testAllocation()方法后输出了GC日志以及内存分配状况。-Xms20M -Xmx20M -Xmn10M这3个参数确定了Java堆大小为20M，不可扩展，其中10M分配给新生代，剩下的10M即为老年代。-XX:SurvivorRatio=8决定了新生代中eden与survivor的空间比例是1：8，从输出的结果也清晰的看到“eden space 8192K、from space 1024K、to space 1024K”的信息，新生代总可用空间为9216K（eden+1个survivor）。

　　我们也注意到在执行testAllocation()时出现了一次Minor GC，GC的结果是新生代6651K变为148K，而总占用内存则几乎没有减少（因为几乎没有可回收的对象）。这次GC是发生的原因是为allocation4分配内存的时候，eden已经被占用了6M，剩余空间已不足分配allocation4所需的4M内存，因此发生Minor GC。GC期间虚拟机发现已有的3个2M大小的对象全部无法放入survivor空间（survivor空间只有1M大小），所以直接转移到老年代去。GC后4M的allocation4对象分配在eden中。

清单2：testAllocation()方法输出结果

[GC [DefNew: 6651K->148K(9216K), 0.0070106 secs] 6651K->6292K(19456K), 0.0070426 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
Heap
def new generation total 9216K, used 4326K [0x029d0000, 0x033d0000, 0x033d0000)
eden space 8192K, 51% used [0x029d0000, 0x02de4828, 0x031d0000)
from space 1024K, 14% used [0x032d0000, 0x032f5370, 0x033d0000)
to space 1024K, 0% used [0x031d0000, 0x031d0000, 0x032d0000)
tenured generation total 10240K, used 6144K [0x033d0000, 0x03dd0000, 0x03dd0000)
the space 10240K, 60% used [0x033d0000, 0x039d0030, 0x039d0200, 0x03dd0000)
compacting perm gen total 12288K, used 2114K [0x03dd0000, 0x049d0000, 0x07dd0000)
the space 12288K, 17% used [0x03dd0000, 0x03fe0998, 0x03fe0a00, 0x049d0000)
No shared spaces configured.

规则二：配置了PretenureSizeThreshold的情况下，对象大于设置值将直接在老年代分配。

　　执行testPretenureSizeThreshold()方法后，我们看到eden空间几乎没有被使用，而老年代的10M控件被使用了40%，也就是4M的allocation对象直接就分配在老年代中，则是因为PretenureSizeThreshold被设置为3M，因此超过3M的对象都会直接从老年代分配。

清单3：

Heap
def new generation total 9216K, used 671K [0x029d0000, 0x033d0000, 0x033d0000)
eden space 8192K, 8% used [0x029d0000, 0x02a77e98, 0x031d0000)
from space 1024K, 0% used [0x031d0000, 0x031d0000, 0x032d0000)
to space 1024K, 0% used [0x032d0000, 0x032d0000, 0x033d0000)
tenured generation total 10240K, used 4096K [0x033d0000, 0x03dd0000, 0x03dd0000)
the space 10240K, 40% used [0x033d0000, 0x037d0010, 0x037d0200, 0x03dd0000)
compacting perm gen total 12288K, used 2107K [0x03dd0000, 0x049d0000, 0x07dd0000)
the space 12288K, 17% used [0x03dd0000, 0x03fdefd0, 0x03fdf000, 0x049d0000)
No shared spaces configured.

规则三：在eden经过GC后存活，并且survivor能容纳的对象，将移动到survivor空间内，如果对象在survivor中继续熬过若干次回收（默认为15次）将会被移动到老年代中。回收次数由MaxTenuringThreshold设置。

　　分别以-XX:MaxTenuringThreshold=1和-XX:MaxTenuringThreshold=15两种设置来执行testTenuringThreshold()，方法中allocation1对象需要256K内存，survivor空间可以容纳。当MaxTenuringThreshold=1时，allocation1对象在第二次GC发生时进入老年代，新生代已使用的内存GC后非常干净的变成0KB。而MaxTenuringThreshold=15时，第二次GC发生后，allocation1对象则还留在新生代survivor空间，这时候新生代仍然有404KB被占用。

清单4：
MaxTenuringThreshold=1

[GC [DefNew

Desired survivor size 524288 bytes, new threshold 1 (max 1)

age 1: 414664 bytes, 414664 total

4859K->404K(9216K), 0.0065012 secs] 4859K->4500K(19456K), 0.0065283 secs] [Times: user=0.02 sys=0.00, real=0.02 secs]
[GC [DefNew
Desired survivor size 524288 bytes, new threshold 1 (max 1)

4500K->0K(9216K), 0.0009253 secs] 8596K->4500K(19456K), 0.0009458 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
Heap
def new generation total 9216K, used 4178K [0x029d0000, 0x033d0000, 0x033d0000)
eden space 8192K, 51% used [0x029d0000, 0x02de4828, 0x031d0000)
from space 1024K, 0% used [0x031d0000, 0x031d0000, 0x032d0000)
to space 1024K, 0% used [0x032d0000, 0x032d0000, 0x033d0000)
tenured generation total 10240K, used 4500K [0x033d0000, 0x03dd0000, 0x03dd0000)
the space 10240K, 43% used [0x033d0000, 0x03835348, 0x03835400, 0x03dd0000)
compacting perm gen total 12288K, used 2114K [0x03dd0000, 0x049d0000, 0x07dd0000)
the space 12288K, 17% used [0x03dd0000, 0x03fe0998, 0x03fe0a00, 0x049d0000)
No shared spaces configured.

MaxTenuringThreshold=15

[GC [DefNew

Desired survivor size 524288 bytes, new threshold 15 (max 15)

age 1: 414664 bytes, 414664 total

4859K->404K(9216K), 0.0049637 secs] 4859K->4500K(19456K), 0.0049932 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
[GC [DefNew
Desired survivor size 524288 bytes, new threshold 15 (max 15)
- age 2: 414520 bytes, 414520 total

4500K->404K(9216K), 0.0008091 secs] 8596K->4500K(19456K), 0.0008305 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
Heap
def new generation total 9216K, used 4582K [0x029d0000, 0x033d0000, 0x033d0000)
eden space 8192K, 51% used [0x029d0000, 0x02de4828, 0x031d0000)
from space 1024K, 39% used [0x031d0000, 0x03235338, 0x032d0000)
to space 1024K, 0% used [0x032d0000, 0x032d0000, 0x033d0000)
tenured generation total 10240K, used 4096K [0x033d0000, 0x03dd0000, 0x03dd0000)
the space 10240K, 40% used [0x033d0000, 0x037d0010, 0x037d0200, 0x03dd0000)
compacting perm gen total 12288K, used 2114K [0x03dd0000, 0x049d0000, 0x07dd0000)
the space 12288K, 17% used [0x03dd0000, 0x03fe0998, 0x03fe0a00, 0x049d0000)
No shared spaces configured.

规则四：如果在survivor空间中相同年龄所有对象大小的累计值大于survivor空间的一半，大于或等于个年龄的对象就可以直接进入老年代，无需达到MaxTenuringThreshold中要求的年龄。

　　执行testTenuringThreshold2()方法，并将设置-XX:MaxTenuringThreshold=15，发现运行结果中survivor占用仍然为0%，而老年代比预期增加了6%，也就是说allocation1、allocation2对象都直接进入了老年代，而没有等待到15岁的临界年龄。因为这2个对象加起来已经到达了512K，并且它们是同年的，满足同年对象达到survivor空间的一半规则。我们只要注释掉其中一个对象new操作，就会发现另外一个就不会晋升到老年代中去了。

清单5：

[GC [DefNew

Desired survivor size 524288 bytes, new threshold 1 (max 15)

age 1: 676824 bytes, 676824 total

5115K->660K(9216K), 0.0050136 secs] 5115K->4756K(19456K), 0.0050443 secs] [Times: user=0.00 sys=0.01, real=0.01 secs]
[GC [DefNew
Desired survivor size 524288 bytes, new threshold 15 (max 15)

4756K->0K(9216K), 0.0010571 secs] 8852K->4756K(19456K), 0.0011009 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
Heap
def new generation total 9216K, used 4178K [0x029d0000, 0x033d0000, 0x033d0000)
eden space 8192K, 51% used [0x029d0000, 0x02de4828, 0x031d0000)
from space 1024K, 0% used [0x031d0000, 0x031d0000, 0x032d0000)
to space 1024K, 0% used [0x032d0000, 0x032d0000, 0x033d0000)
tenured generation total 10240K, used 4756K [0x033d0000, 0x03dd0000, 0x03dd0000)
the space 10240K, 46% used [0x033d0000, 0x038753e8, 0x03875400, 0x03dd0000)
compacting perm gen total 12288K, used 2114K [0x03dd0000, 0x049d0000, 0x07dd0000)
the space 12288K, 17% used [0x03dd0000, 0x03fe09a0, 0x03fe0a00, 0x049d0000)
No shared spaces configured.

规则五：在Minor GC触发时，会检测之前每次晋升到老年代的平均大小是否大于老年代的剩余空间，如果大于，改为直接进行一次Full GC，如果小于则查看HandlePromotionFailure设置看看是否允许担保失败，如果允许，那仍然进行Minor GC，如果不允许，则也要改为进行一次Full GC。

　　前面提到过，新生代才有复制收集算法，但为了内存利用率，只使用其中一个survivor空间来作为轮换备份，因此当出现大量对象在GC后仍然存活的情况（最极端就是GC后所有对象都存活），就需要老年代进行分配担保，把survivor无法容纳的对象直接放入老年代。与生活中贷款担保类似，老年代要进行这样的担保，前提就是老年代本身还有容纳这些对象的剩余空间，一共有多少对象在GC之前是无法明确知道的，所以取之前每一次GC晋升到老年代对象容量的平均值与老年代的剩余空间进行比较决定是否进行Full GC来让老年代腾出更多空间。

　　取平均值进行比较其实仍然是一种动态概率的手段，也就是说如果某次Minor GC存活后的对象突增，大大高于平均值的话，依然会导致担保失败，这样就只好在失败后重新进行一次Full GC。虽然担保失败时做的绕的圈子是最大的，但大部分情况下都还是会将HandlePromotionFailure打开，避免Full GC过于频繁。

清单6：
HandlePromotionFailure = false

[GC [DefNew: 6651K->148K(9216K), 0.0078936 secs] 6651K->4244K(19456K), 0.0079192 secs] [Times: user=0.00 sys=0.02, real=0.02 secs]
[GC [DefNew: 6378K->6378K(9216K), 0.0000206 secs][Tenured: 4096K->4244K(10240K), 0.0042901 secs] 10474K->4244K(19456K), [Perm : 2104K->2104K(12288K)], 0.0043613 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]

HandlePromotionFailure = true

[GC [DefNew: 6651K->148K(9216K), 0.0054913 secs] 6651K->4244K(19456K), 0.0055327 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
[GC [DefNew: 6378K->148K(9216K), 0.0006584 secs] 10474K->4244K(19456K), 0.0006857 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]

参考

[1]: http://blog.csdn.net/u014381710/article/details/48554465
[2]:http://www.iteye.com/topic/802638