《深入理解Java虚拟机》——垃圾收集器与内存分配策略问题

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通过这篇文章你能知道的问题:

1.如何判断对象是活着还是死去?

2.在Java语言中,可作为GCRoots的对象有哪些?

3.Java中引用的分类

4.对象的自救姿势是什么?

5.类在什么情况下是无用的?

6.垃圾收集算法有哪些?

7.年轻代,老年代,永久代?

8.HotSpot虚拟机是如何发起内存回收的?

9.垃圾收集器有哪些以及组合方式有哪些?

10.怎么理解GC日志?

11.内存如何分配?

该篇文章的篇幅会有点长,希望大家耐心阅读下去。

大家都知道内存回收的是无用对象,但是怎么判断对象是无用还是有用呢?

比较容易想到的是引用计数法。那么什么是引用计数法呢?

引用计数法:给对象中添加一个引用计数器,每当有一个地方引用它时,计数器值就加1;当引用失效时,计数器值就减1;任何时刻计数器为0的对象就是不可能再使用的。

虽然引用计数算法实现简单且判断效率高效,但是在主流的Java虚拟机里面没有选用引用计数算法来管理内存,其中最主要的原因是它很难解决对象间相互循环引用的问题。

既然我们学习的是Java虚拟机相关的内容,那我们就要了解Java虚拟机的实现中是怎么判断对象是否存活的?

可达性分析算法:在主流的商用程序语言的主流实现中,都是称通过可达性分析来判断对象是否存活的。这个算法的基本思路就是通过一系列的称为"GC Roots"的对象作为起始点,从这些节点开始向下搜索,搜索所走过的路径称为引用链,当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连时,则证明此对象是不可用的。如图3-1所示:

在Java语言中,可作为GC Roots的对象包括下面几种:

虚拟机栈(栈帧中的本地变量表)中引用的对象

方法区中类静态属性引用的对象

方法区中常量引用的对象

本地方法栈中JNI(即一般说的Native方法)引用的对象

无论是通过引用计数算法判断对象的引用数量,还是通过可达性分析算法判断对象的引用链是否可达,判断对象是否存活都与"引用"有关。

在JDK1.2之后,Java对引用的概念进行了扩充,将引用分为强引用(Strong Reference)、软引用(Soft Reference)、弱引用(Weak Reference)、虚引用(Phantom Reference)4种,这4种引用强度依次逐渐减弱。

强引用就是指在程序代码之中普遍存在的,类似"Object obj=new Object()"这类的引用,只要强引用还存在,垃圾收集器永远不会回收掉被引用的对象。

软引用是用来描述一些还有用但并非必需的对象。对于软引用关联着的对象,在系统将要发生内存溢出异常之前,将会把这些对象列进回收范围之中进行第二次回收。如果这次回收还没有足够的内存,才会抛出内存溢出异常。

弱引用也是用来描述非必需对象的,但是它的强度比软引用更弱一些,被弱引用关联的对象只能生存到下一次垃圾收集发生之前。当垃圾收集器工作时,无论当前内存是否足够,都会回收掉只被弱引用关联的对象。

虚引用也被称为幽灵引用或者幻影引用,它是最弱的一种引用关系。一个对象是否有虚引用的存在,完全不会对其生存时间构成影响,也无法通过虚引用来取得一个对象实例。为一个对象设置虚引用关联的唯一目的就是能在这个对象被收集器回收时收到一个系统通知。

上面介绍了对象存活的判断以及引用的分类,那么对象如何在被杀死时来个自我救赎呢?

救赎之前我们要了解我们的对象是怎么被杀死的:

在可达性分析算法中不可达的对象,也并非是“非死不可”的,这时候它们暂时处于“缓刑”阶段,要真正宣告一个对象死亡,至少要经历两次标记过程——如果对象在进行可达性分析后发现没有与GC Roots相连接的引用链,那它将会被第一次标记并且进行一次筛选,筛选的条件是此对象是否有必要执行finalize()方法。当对象没有覆盖finalize()方法,或者finalize()方法已经被虚拟机调用过,虚拟机将这两种情况都视为“没有必要执行”。(那么问题来了,这种情况下的二次标记在哪里?)

如果这个对象被判定为有必要执行finalize()方法,那么这个对象将会放置在一个叫做F-Queue的队列之中,并在稍后由一个由虚拟机自动建立的、低优先级的Finalizer线程去执行它。这里所谓的"执行"是指虚拟机会触发这个方法,但并不承诺会等待它运行结束,这样做的原因是,如果一个对象在finalize()方法中执行缓慢,或者发生了死循环,将很可能会导致F-Queue队列中其他对象永久处于等待,甚至导致整个内存回收系统崩溃。finalize()方法是对象逃脱死亡命运的最后一次机会,稍后GC将对F-Queue中的对象进行第二次小规模标记,如果对象要在finalize()中成功拯救自己——只要重新与引用链上的任何一个对象建立关联即可,譬如把自己(this关键字)赋值给某个类变量或者对象的成员变量,那在第二次标记时它将被移除出"即将回收"的集合;如果对象这时候还没有逃脱,那基本上它就真的被回收了。

[java]view plaincopy

packagecom.general.android.test.oom;

publicclassTestFinalize {

publicstaticTestFinalize SAVE_HOOK=null;

publicvoidisAlive(){

System.out.println("yes, i am still alive");

}

@Override

protectedvoidfinalize()throwsThrowable {

// TODO Auto-generated method stub

super.finalize();

System.out.println("finalize method executed");

TestFinalize.SAVE_HOOK=this;

}

publicstaticvoidmain(String[] args)throwsInterruptedException {

SAVE_HOOK=newTestFinalize();

//对象第一次成功拯救自己

SAVE_HOOK=null;

System.gc();

Thread.sleep(500);

if(SAVE_HOOK!=null){

SAVE_HOOK.isAlive();

}else{

System.out.println("no,I am dead");

}

SAVE_HOOK=null;

System.gc();

Thread.sleep(500);

if(SAVE_HOOK!=null){

SAVE_HOOK.isAlive();

}else{

System.out.println("no,I am dead");

}

}

}

上面代码的输出结果:

finalize method executed

yes, i am still alive

no,I am dead

注意:任何一个对象的finalize()方法都只会被系统自动调用一次,如果对象面临下一次回收,它的finalize()方法不会被再次执行。

在方法区中类需要同时满足下面3个条件才能算是“无用的类”:

1.该类所有的实例都已经被回收,也就是Java堆中不存在该类的任何实例

2.加载该类的ClassLoader已经被回收

3.该类对应的java.ang.Class对象没有在任何地方被引用,无法在任何地方通过反射访问该类的方法。

虚拟机可以对满足上述3个条件的无用类进行回收,这里说的仅仅是“可以”,而并不是和对象一样,不使用了就必然会回收。是否对类进行回收,HotSpot虚拟机提供了-Xnoclassgc参数进行控制,还可以使用-verbose:class以及-XX:+TraceClassLoading、-XX:+TraceClassUnLoading查看类加载和卸载信息,其中-verbose:class和-XX:+TraceClassLoading可以在Product版的虚拟机中使用,-XX:+TraceClassUnLoading参数需要FastDebug版的虚拟机支持。

常用的垃圾收集算法有哪些?

常用的垃圾收集算法有:标记-清除算法、复制算法、标记-整理算法、分代收集算法。

标记-清除算法:算法分为“标记”和“清除”两个阶段:首先标记出所有需要回收的对象,在标记完成后统一回收所有被标记的对象。标记-清除算法主要有两个不足:(1)一个是效率问题,标记和清除两个过程的效率都不高;另一个是空间问题,标记清除之后会产生大量不连续的内存碎片,空间碎片太多可能会导致以后在程序运行过程中需要分配较大对象时,无法找到足够的连续内存而不得不提前触发另一次垃圾收集动作。

复制算法:复制算法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一块上面,然后再把已使用过的内存空间一次清理掉。这样使得每次都是对整个半区进行内存回收,内存分配时也就不用考虑内存碎片等复杂情况,只要移动堆顶指针,按顺序分配内存即可,实现简单,运行高效。只是这种算法的代价是将内存缩小为了原来的一半,未免太高了一点。

现在的商业虚拟机都采用这种收集算法来回收新生代,IBM公司的专门研究表明,新生代中的对象98%是"朝生夕死"的,所以并不需要按照1:1的比例来划分内存空间,而是将内存分为一块较大的Eden空间和两块较小的Survivor空间,每次使用Eden和其中一块Survivor。当回收时,将Eden和Survivor中还存活的对象一次性地复制到另外一块Survivor空间上,最后清理掉Eden和刚才用过的Survivor空间。HotSpot虚拟机默认Eden和Survivor的大小比例是8:1:1,也就是每次新生代中可用内存空间为整个新生代容量的90%(80%+10%),只有10%的内存会被“浪费”。当然,98%的对象可回收只是一般场景下的数据,我们没有办法保证每次回收都只有不多于10%的对象存活,当Survivor空间不够用时,需要依赖其他内存(这里指老年代)进行分配担保,也就是说如果另外一块Survivor空间没有足够空间存放上一次新生代收集下来的存活对象时,这些对象将直接通过分配担保机制进入老年代。

标记-整理算法:复制收集算法在对象存活率较高时就要进行较多的复制操作,效率将会变低。更关键的是,如果不想浪费50%的空间,就需要有额外的空间进行分配担保,以应对被使用的内存中所有对象都100%存活的极端情况,所以在老年代一般不能直接选用这种算法。根据老年代的特点,有人提出了另外一种“标记-整理”算法,标记过程仍然与“标记-清除”算法一样,但后续步骤不是直接对可回收对象进行清理,而是让所有存活的对象都向一端移动,然后直接清理掉端边界以外的内存。

分代收集算法:当前商业虚拟机的垃圾收集都采用"分代收集"算法,这种算法并没有什么新的思想,只是根据对象存活周期的不同将内存划分为几块。一般把Java堆分为新生代和老年代,这样就可以根据各个年代的特点采用最恰当的收集算法。在新生代中,每次垃圾收集时都发现有大批对象死去,只有少量存活,那就选用复制算法,只需要付出少量存活对象的复制成本就可以完成收集。而老年代中因为对象存活率高,没有额外空间对它进行分配担保,就必须使用标记-清理或者标记-整理算法来进行回收。

这里提到了新生代和老年代,那么新生代是什么?老年代又是什么呢?永久代又是何物呢?

新生代

主要是用来存放新生的对象,即刚刚创建的对象。新生代又被划分为Eden区和Survivor区(包含空间相等的From、To区,没有先后顺序,是复制算法的需要)。大多数情况下,java中新建的对象都是在新生代上分配的,通过复制算法来进行分配内存和垃圾回收。

老年代

主要存放应用程序中生命周期长的内存对象。在新生代中经过多次垃圾回收仍然存活的对象,会被存放到老年代中。老年代通过标记-整理算法来清理无用内存。

永久代

永久代这个概念比较特殊,因为永久代是Hotspot虚拟机特有的概念,是方法区的一种实现,别的JVM都没有这个东西。但是在jdk1.8中,永久代已经被移除。

在Java 6中,方法区中包含的数据,除了JIT编译生成的代码存放在native memory的CodeCache区域,其他都存放在永久代;

在Java 7中,Symbol的存储从PermGen移动到了native memory,并且把静态变量从instanceKlass末尾(位于PermGen内)移动到了java.lang.Class对象的末尾(位于普通Java heap内);

在Java 8中,永久代被彻底移除,取而代之的是另一块与堆不相连的本地内存——元空间(Metaspace),‑XX:MaxPermSize 参数失去了意义,取而代之的是-XX:MaxMetaspaceSize。

http://blog.csdn.net/ooppookid/article/details/51477147

https://www.zhihu.com/question/49044988/answer/113961406

HotSpot是如何去发起内存回收的?

前面说过HotSpot虚拟机是通过可达性分析来判断对象是否存活的。而垃圾收集算法在标记可回收对象时,肯定也是使用了可达性分析来判断哪些对象是可以被回收。大家都知道可作为GC Roots的节点主要在全局性的引用(例如常量或类静态属性)与执行上下文(例如栈帧中的本地变量表)中,现在很多应用仅仅方法区就有数百兆,如果要逐个检查这里面的引用,那么必然会消耗很多时间。另外,可达性分析对执行时间的敏感还体现在GC停顿上,因为这项分析工作必须在一个能确保一致性的快照中进行——这里"一致性"的意思是指整个分析期间整个执行系统看起来就像被冻结在某个时间点上,不可以出现分析过程中对象引用关系还在不断变化的情况,该点不满足的话分析结果准确性就无法得到保证。这点是导致GC进行时必须停顿所有Java执行线程的其中一个重要原因,即使是在号称不会发生停顿的CMS收集器中,枚举根节点时也是必须要停顿的。

由于目前的主流Java虚拟机使用的都是准确式GC,所以当执行系统停顿下来后,并不需要一个不漏地检查完所有执行上下文和全局的引用位置,虚拟机应当是有办法直接得知哪些地方存放着对象引用。在HotSpot的实现中,是使用一组称为OopMap的数据结构来达到这个目的,在类加载完成的时候,HotSpot就把对象内什么偏移量上是什么类型的数据计算出来,在JIT编译过程中,也会在特定的位置记录下栈和寄存器中哪些位置是引用。这些位置称为安全点(Safepoint),即程序执行时并非在所有地方都能停顿下来开始GC,只有在到达安全点时才能暂停。Safepoint的选定既不能太少以致于让GC等待时间太长,也不能过于频繁以致于过分增大运行时的负荷。所以,安全点的选定基本上是以程序“是否具有让程序长时间执行的特征”为标准进行选定的。对于安全点,另一个需要考虑的问题是如何在GC发生时让所有线程(这里不包括执行JNI调用的线程)都“跑”到最近的安全点上再停顿下来。这里有两种方案可供选择:抢先式中断和主动式中断。

抢先式中断:不需要线程的执行代码主动去配合,在GC发生时,首先把所有线程全部中断,如果发现有线程中断的地方不在安全点上,就恢复线程,让它“跑”到安全点上。但是现在几乎没有虚拟机实现采用抢先式中断来暂停线程从而响应GC事件。

主动式中断:当GC需要中断线程的时候,不直接对线程操作,仅仅简单地设置一个标志,各个线程执行时主动去轮询这个标志,发现中断标志为真时就自己中断挂起。轮询标志的地方和安全点是重合的,另外再加上创建对象需要分配内存的地方。

使用安全点似乎已经完美地解决了如何进入GC的问题,但是实际情况却并不一定。安全点机制保证了程序执行时,在不太长的时间内就会遇到可进入GC的Safepoint。但是在程序不执行的时候就无法做到这一点,比如线程在休眠或阻塞状态。对于这种情况,就需要安全区域(Safe Region)来解决。

安全区域是指在一段代码片段之中,引用关系不会发生变化。在这个区域中的任意地方开始GC都是安全的。我们也可以把Safe Region看做是被扩展了的Safepoint。

在线程执行到Safe Region中的代码时,首先标识自己已经进入了Safe Region,那样,当在这段时间里JVM要发起GC时,就不用管标识自己为Safe Region状态的线程了。在线程要离开SafeRegion时,它要检查系统是否已经完成了根节点枚举(或者是整个GC过程),如果完成了,那线程就继续执行,否则它就必须等待直到收到可以安全离开Safe Region的信号为止。

这个阐述有点长,我来简要概括一下:在OopMap的协助下,HotSpot快速且准确地完成GC Roots枚举,并在安全点或者安全区域进行中断,以保证在根结点枚举过程中引用关系不发生改变,也就是在标记可回收对象时,内存中的引用关系不再发生变化,这样的操作才有意义。

垃圾收集器有哪些以及组合方式有哪些?

如果说收集算法是内存回收的方法论,那么垃圾收集器就是内存回收的具体实现。Java虚拟机规范中对垃圾收集器应该如何实现并没有任何规定,因此不同的厂商、不同的版本的虚拟机所提供的垃圾收集器都可能会有很大的差别,并且一般都会提供参数供用户自己根据自己的应用特点和要求组合出各个年代所使用的收集器。

这里所讨论的收集器是基于JDK1.7Update 14之后的HotSpot虚拟机,上图展示了7种作用于不同分代的收集器,如果两个收集器之间存在连线,就说明它们可以搭配使用。虚拟机所处的区域,则表示它是属于新生代收集器还是老年代收集器。

Serial收集器

Serial收集器是最基本、发展历史最悠久的收集器,曾经(在JDK1.3.1之前)是虚拟机新生代收集的唯一选择。大家看名字就会知道,这个收集器是一个单线程的收集器,但它的“单线程”的意义并不仅仅说明它只会使用一个CPU或一条收集线程去完成垃圾收集工作,更重要的是在它进行垃圾收集时,必须暂停其他所有的工作线程,直到它收集结束。Serial收集器是虚拟机运行在Client模式下的默认新生代收集器,它有着优于其他收集器的地方:简单而高效(与其他收集器的单线程比),对于限定单个CPU的环境来说,Serial收集器由于没有线程交互的开销,专心做垃圾收集自然可以获得最高的单线程收集效率。

ParNew收集器

ParNew收集器其实就是Serial收集器的多线程版本,除了使用多条线程进行垃圾收集之外,其余行为包括Serial收集器可用的所有控制参数、收集算法、Stop The World、对象分配规则、回收策略等都与Serial收集器完全一样,在实现上,这两种收集器也共用了相当多的代码。ParNew收集器是许多运行在Server模式下的虚拟机中首先的新生代收集器,其中有一个与性能无关但很重要的原因是,除了Serial收集器外,目前只有它能与CMS收集器配合工作。

在谈论垃圾收集器的上下文语境中,并行和并发的概念如下:

并行:指多余垃圾收集线程并行工作,但此时用户线程仍然处于等待状态。

并发:指用户线程与垃圾收集线程同时执行(但不一定是并行的,可能会交替执行),用户程序在继续运行,而垃圾收集程序运行于另一个CPU上。

Parallel Scavenge收集器

Parallel Scavenge收集器是一个新生代收集器,它也是使用复制算法的收集器,又是并行的多线程收集器。Parallel Scavenge收集器的特点是它的关注点与其他收集器不同,CMS等收集器的关注点是尽可能地缩短垃圾收集时用户线程的停顿时间,而Parallel Scavenge收集器的目标则是达到一个可控制的吞吐量(Throughput)。所谓吞吐量就是CPU用于运行用户代码的时间与CPU总消耗时间的比值,即吞吐量=运行用户代码时间/(运行用户代码时间+垃圾收集时间),虚拟机总共运行了100分钟,其中垃圾收集花掉1分钟,那吞吐量就是99%。停顿时间越短就越适合需要与用户交互的程序,良好的响应速度能提升用户体验,而高吞吐量则可以高效率地利用CPU时间,尽快完成程序的运算任务,主要适合在后台运算而不需要太多交互的任务。

Parallel Scavenge的一些参数:

MaxGCPauseMillis:控制最大垃圾收集停顿时间,参数允许的值是一个大于0的毫秒数,收集器将尽可能地保证内存回收花费的时间不超过设定值。不过大家不要认为如果把这个参数的值设置得稍小一点就能使得系统的垃圾收集速度变得更快,GC停顿时间缩短是以牺牲吞吐量和新生代空间来换取的。

GCTimeRatio:控制吞吐量的大小,参数的值应当是一个大于0且小于100的整数,也就是垃圾收集时间占总时间的比率,相当于是吞吐量的倒数。如果把此参数设置为N,那允许的最大GC时间就占总时间的(1/(1+N))%。比如把此参数设置为19,那允许的最大GC时间就占总时间的5%(即1/(1+19)).

UseAdaptiveSizePolicy:这是一个开关参数,当这个参数打开之后,就不需要手工指定新生代的大小(-Xmn)、Eden与Survivor区的比例(-XX:SurvivorRatio)、晋升老年代对象大小(-XX:PretenureSizeThreshold)等细节参数了,虚拟机会根据当前系统的运行情况收集性能监控信息,动态调整这些参数以提供最合适的停顿时间或者最大的吞吐量,这种调节方式称为GC自适应的调节策略。自适应调节策略也是Parallel Scavenge收集器与ParNew收集器的一个重要区别。

Serial Old收集器

Serial Old是Serial 收集器的老年代版本,它同样是一个单线程收集器,使用"标记-整理"算法。这个收集器的主要意义也是在于给Client模式下的虚拟机使用。如果在Server模式下,那么它主要还有两大用途:一种用途是在JDK1.5以及之前的版本中与Parallel Scavenge收集器搭配使用,另一种用途就是作为CMS收集器的后备预案,在并发收集发生Concurrent Mode Failure时使用。

Parallel Old收集器

Parallel Old是Parallel Scavenge收集器的老年代版本,使用多线程和标记-整理算法。这个收集器是在JDK1.6中才开始提供的。在注重吞吐量以及CPU资源敏感的场合,都可以优先考虑Parallel Scavenge加Parallel Old收集器。

CMS收集器

CMS(Concurrent 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。目前很大一部分的Java应用集中在互联网网站或者B/S系统的服务端上,这类应用尤其重视服务的响应速度,希望系统停顿时间最短,以给用户带来较好的体验。CMS收集器就非常符合这类应用的需求。从名字(包含"Mark Sweep")上就可以看出,CMS收集器是基于"标记-清除"算法实现的,它的运作过程相对于前面几种收集器来说更复杂一些,整个过程分为4个步骤,包括:

初始标记(CMS initial mark)

并发标记(CMS concurrent mark)

重新标记(CMS remark)

并发清除(CMS concurrent sweep)

其中,初始标记、重新标记这两个步骤仍然需要"Stop The World"。初始标记仅仅只是标记一下GC Roots能直接关联到的对象,速度很快,并发标记阶段就是进行GC Roots Tracing 的过程,而重新标记阶段则是为了修正并发标记期间因用户程序继续运作而导致标记产生变动的那一部分对象的标记记录,这个阶段的停顿时间一般会比初始标记阶段稍长一些,但远比并发标记的时间短。由于整个过程中耗时最长的并发标记和并发清除过程收集器收集线程都可以与用户线程一起工作,所以,从总体上来说,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收集器有3个明显的缺点:

1.CMS收集器对CPU资源非常敏感。其实,面向并发设计的程序都对CPU资源比较敏感。在并发阶段,它虽然不会导致用户线程停顿,但是会因为占用了一部分线程而导致应用程序变慢,总吞吐量会降低。

2.CMS收集器无法处理浮动垃圾,可能出现"Concurrent Mode Failure"失败而导致另一次Full GC的产生。由于CMS并发清理阶段用户线程还在运行着,伴随程序运行自然就还会有新的垃圾不断产生,这一部分垃圾出现在标记过程之后,CMS无法在当次收集中处理掉它们,只好留待下一次GC时再清理掉。这一部分垃圾就称为"浮动垃圾"。

3.空间碎片:CMS是一款基于标记-清除算法实现的收集器,所有会有空间碎片的现象,当空间碎片过多时,将会给大对象分配带来很大麻烦,往往会出现老年代还有很大空间剩余,但是

无法找到足够大的连续空间来分配当前对象,不得不提前触发一次Full GC。

G1收集器

G1收集器是当今收集器技术发展的最前沿成果之一,G1是一款面向服务端应用的垃圾收集器,HotSpot开发团队赋予它的使命是未来可以替换掉JDK1.5中发布的CMS收集器。在G1之前的其他收集器进行收集的范围都是整个新生代或者老年代,而G1不再是这样。使用G1收集器时,Java堆的内存布局就与其他收集器有很大差别,它将整个Java堆划分为多个大小相等的独立区域(Region),虽然还保留有新生代和老年代的概念,但新生代和老年代不再是物理隔离的了,它们都是一部分Region(不需要连续)的集合。与其他GC收集器相比,G1具备如下特点:

(1)并行与并发:G1能充分利用多CPU,多核环境下的硬件优势,使用多个CPU(CPU或者CPU核心)来缩短Stop-The-World停顿时间,部分其他收集器原本需要停顿Java线程执行的GC动作,G1收集器仍然可以通过并发的方式让Java程序继续执行。

(2)分代收集:与其他收集器一样,分代概念在G1中依然得以保留。虽然G1可以不需要其他收集器配合就能独立管理整个GC堆,但它能够采用不同的方式去处理新创建的对象和已经存活了一段时间、熬过多次GC的旧对象以获取更好的收集效果。

(3)空间整合:与CMS的“标记-清理”算法不同,G1从整体来看是基于“标记-整理”算法实现的收集器,从局部(两个Region之间)上来看是基于“复制”算法实现的,但无论如何,这两种算法都意味着G1运作期间不会产生内存空间碎片,收集后能提供规整的可用内存。这种特性有利于程序长时间运行,分配大对象时不会因为无法找到连续内存空间而提前触发下一次GC。

(4)可预测的停顿:这是G1相对于CMS的另一大优势,降低停顿时间是G1和CMS共同的关注点,但G1除了追求低停顿外,还能建立可预测的停顿时间模型,能让使用者明确指定在一个长度为M毫秒的时间片段内,消耗在垃圾收集上的时间不得超过N毫秒,这几乎已经是实时Java的垃圾收集器的特征了。

G1收集器之所以能建立可预测的停顿时间模型,是因为它可以有计划地避免在整个Java堆中进行全区域的垃圾收集。G1跟踪各个Region里面的垃圾堆积的价值大小(回收所获得的空间大小以及回收所需时间的经验值),在后台维护一个优先列表,每次根据允许的收集时间,优先回收价值最大的Region(这也就是Garbage-First名称的来由)。这种使用Region划分内存空间以及有优先级的区域回收方式,保证了G1收集器在有限的时间内可以获取尽可能高的收集效率。

在G1收集器中,Region之间的对象引用以及其他收集器中的新生代与老年代之间的对象引用,虚拟机都是使用Remembered Set来避免全堆扫描的。G1中每个Region都有一个与之对应的Remembered Set,虚拟机发现程序在对Reference类型的数据进行写操作时,会产生一个Write Barrier暂时中断写操作,检查Reference引用的对象是否处于不同的Region之中(在分代的例子中就是检查是否老年代中的对象引用了新生代中的对象),如果是,便通过CardTable把相关引用信息记录到被引用对象所属的Region的Remembered Set之中。当进行内存回收时,在GC根节点的枚举范围中加入Remembered Set即可保证不对全堆扫描也不会有遗漏。

如果不计算维护Remembered Set的操作,G1收集器的运作大致可划分为以下几个步骤:

初始标记(Initial Marking)

并发标记(Concurrent Marking)

最终标记(Final Marking)

筛选回收(Live Data Counting and Evacuation)

对CMS收集器运作过程熟悉的读者,一定已经发现G1的前几个步骤的运作过程和CMS有很多相似之处。初始标记阶段仅仅只是标记一下GC Roots能直接关联到的对象,并且修改TAMS的值,让下一阶段用户程序并发运行时,能在正确可用的Region中创建新对象,这阶段需要停顿线程,但耗时很短。并发标记阶段是从GC Root开始对堆中对象进行可达性分析,找出存活的对象,这阶段耗时较长,但可与用户程序并发执行。而最终标记阶段则是为了修正在并发标记期间因用户程序继续运作而导致标记产生变动的那一部分标记记录,虚拟机将这段时间对象变化记录在线程Remembered Set Logs里面,最终标记阶段需要把Remmbered Set Logs的数据合并到Remembered Set中,这阶段需要停顿线程,但是可并行执行。最后筛选回收阶段首先对各个Region的回收价值和成本进行排序,根据用户所期望的GC停顿时间来制定回收计划。

关于垃圾收集器暂时就了解这么多内容,关于可用的组合图3-5一目了然。

那么如何阅读GC日志呢?

想要阅读GC日志,首先必须要开启GC日志,开启方式如下图:

[java]view plaincopy

packagecom.general.garbage;

publicclassTestGCLog {

privateObject[] obj;

publicstaticvoidmain(String[] args) {

TestGCLog gcLog=newTestGCLog();

gcLog.createObjects();

gcLog.clear();

System.gc();

}

publicvoidcreateObjects(){

obj=newObject[]{newbyte[1024*1024],newbyte[1024*1024]};

}

publicvoidclear(){

obj=null;

}

}

上面代码运行之后,打印出的相关的GC信息如下:

[java]view plaincopy

0.104: [GC (System.gc()) [PSYoungGen: 3922K->616K(36352K)] 3922K->624K(119808K),0.0035976secs] [Times: user=0.00sys=0.00, real=0.00secs]

0.108: [Full GC (System.gc()) [PSYoungGen: 616K->0K(36352K)] [ParOldGen: 8K->519K(83456K)] 624K->519K(119808K), [Metaspace: 2574K->2574K(1056768K)],0.0061018secs] [Times: user=0.00sys=0.00, real=0.01secs]

Heap

PSYoungGen      total 36352K, used 312K [0x00000000d7980000,0x00000000da200000,0x0000000100000000)

eden space 31232K,1% used [0x00000000d7980000,0x00000000d79ce2b8,0x00000000d9800000)

from space 5120K,0% used [0x00000000d9800000,0x00000000d9800000,0x00000000d9d00000)

to   space 5120K,0% used [0x00000000d9d00000,0x00000000d9d00000,0x00000000da200000)

ParOldGen       total 83456K, used 519K [0x0000000086c00000,0x000000008bd80000,0x00000000d7980000)

object space 83456K,0% used [0x0000000086c00000,0x0000000086c81ef0,0x000000008bd80000)

Metaspace       used 2581K, capacity 4486K, committed 4864K, reserved 1056768K

classspace    used 285K, capacity 386K, committed 512K, reserved 1048576K

下面我们看看如何理解这段GC日志,

[GC (System.gc()) [PSYoungGen: 3922K->616K(36352K)] 3922K->624K(119808K), 0.0035976 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]

[Full GC (System.gc()) [PSYoungGen: 616K->0K(36352K)] [ParOldGen: 8K->519K(83456K)] 624K->519K(119808K), [Metaspace: 2574K->2574K(1056768K)], 0.0061018 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.01 secs]

GC和Full GC表示垃圾回收的停顿类型

PSYoungGen:表示新生代使用的是Parallel Scavenge垃圾收集器

3922K(gc前新生代所用内存)->616K(gc后新生代所用内存)(36352K(新生代总内存))

3922K(gc前Java堆已使用内存)->624K(gc后Java堆已使用内存)(119808K(Java堆总容量))

0.0035976 secs:表示GC所占用时间。

下面看下两幅图,就对GC日志一目了然了。

上面两幅图来源于:http://blog.csdn.net/wanglha/article/details/48713217

内存如何分配的?

对象的内存分配,往大方向讲,就是在堆上分配(但也可能经过JIT编译后被拆散为标量类型并间接地栈上分配,这点属于JVM编译优化的操作,这个会在后续的博客中说明),对象主要分配在新生代的Eden区上,如果启动了本地线程分配缓冲,将按线程优先在TLAB上分配。少数情况下也可能会直接分配在老年代中,分配的规则并不是百分之百固定的,其细节取决于当前使用的是哪一种垃圾收集器组合,还有虚拟机中与内存相关的参数的设置。

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。

[java]view plaincopy

privatestaticfinalint_1MB=1024*1024;

/*-XX:+PrintGCTimeStamps -XX:+PrintGCDetails   -Xms20M -Xmx20M -Xmn7M -XX:SurvivorRatio=8*/

publicstaticvoidtestAllocation(){

byte[] allocation1,allocation2,allocation3,allocation4;

allocation1=newbyte[2*_1MB];

allocation2=newbyte[2*_1MB];

allocation3=newbyte[2*_1MB];//发生一次Minor GC

allocation4=newbyte[4*_1MB];//最后在allocation3在新生代里,其余4个对象在老年代里

}

0.111: [GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 4937K->504K(6656K)] 4937K->4672K(19968K),0.0041380secs] [Times: user=0.05sys=0.00, real=0.00secs]

Heap

PSYoungGen      total 6656K, used 2613K [0x00000000ff900000,0x0000000100000000,0x0000000100000000)

eden space 6144K,34% used [0x00000000ff900000,0x00000000ffb0f748,0x00000000fff00000)

from space 512K,98% used [0x00000000fff00000,0x00000000fff7e010,0x00000000fff80000)

to   space 512K,0% used [0x00000000fff80000,0x00000000fff80000,0x0000000100000000)

ParOldGen       total 13312K, used 8264K [0x00000000fec00000,0x00000000ff900000,0x00000000ff900000)

object space 13312K,62% used [0x00000000fec00000,0x00000000ff412030,0x00000000ff900000)

Metaspace       used 2581K, capacity 4486K, committed 4864K, reserved 1056768K

classspace    used 285K, capacity 386K, committed 512K, reserved 1048576K

//当注释allocation3和4的这两句代码时,GC的运行日志如下:所以,这样就很好理解了上文中为何会在allocation3处发生了一次Minor GC。

Heap

PSYoungGen      total 6656K, used 5061K [0x00000000ff900000,0x0000000100000000,0x0000000100000000)

eden space 6144K,82% used [0x00000000ff900000,0x00000000ffdf14d0,0x00000000fff00000)

from space 512K,0% used [0x00000000fff80000,0x00000000fff80000,0x0000000100000000)

to   space 512K,0% used [0x00000000fff00000,0x00000000fff00000,0x00000000fff80000)

ParOldGen       total 13312K, used 0K [0x00000000fec00000,0x00000000ff900000,0x00000000ff900000)

object space 13312K,0% used [0x00000000fec00000,0x00000000fec00000,0x00000000ff900000)

Metaspace       used 2580K, capacity 4486K, committed 4864K, reserved 1056768K

classspace    used 285K, capacity 386K, committed 512K, reserved 1048576K

上述代码运行在新生代总空间为7M的虚拟机里,当分配到第三个对象时就发生了一次GC,相信大家对比上面的两个GC日志就明白了为什么在会allocation3=new byte[2*_1MB]处发生GC。

大对象直接进入老年代: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。

长期存活的对象将进入老年代:既然虚拟机采用了分代收集的思想来管理内存,那么内存回收时就必须能识别哪些对象应放在新生代,哪些对象应放在老年代中。为了做到这点,虚拟机给每个对象定义了一个对象年龄计数器。如果对象在Eden出生并经过第一次Minor GC后仍然存活,并且能被Survivor容纳的话,将被移动到Survivor空间中,并且对象年龄设为1。对象在Survivor区中每“熬过”一次Minor GC,年龄就增加1岁,当它的年龄增加到一定程度(默认为15岁),就将会被晋升到老年代中。对象晋升老年代的年龄阈值,可以通过参数-XX:MaxTenuringThreshold设置。

动态对象年龄判定:为了能更好地适应不同程序的内存状况,虚拟机并不是永远地要求对象的年龄必须达到了MaxTenuringThreshold才能晋升老年代,如果在Survivor空间中相同年龄所有对象大小的总和大于Survivor空间的一半,年龄大于或等于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: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,那么Minor GC可以确保是安全的。如果不成立,则虚拟机会查看HandlePromotionFailure设置值是否允许担保失败。如果允许,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,将尝试着进行一次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,那这时也要改为进行一次Full GC。

这里有必要说一下Minor GC和Full GC:

新生代GC(Minor GC):指发生在新生代的垃圾收集动作,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。

老年代GC(Major GC/Full GC):指发生在老年代的GC,出现了Major GC,经常会伴随至少一次的Minor GC(但非绝对的,在Parallel Scavenge收集器的收集策略里就有直接进行Major GC的策略选择过程),Major GC的速度一般会比Minor GC 慢10倍以上。

其实到了这里,第三章的内容差不多已经总结完全了,后面会继续往下总结,等把相关章节的内容整理完毕,再来对这个系列的文章进行review进而修改,如果觉得不错,请顶一下哈。

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作者:GeneralAndroid

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