Java GC机制详解

垃圾收集 Garbage Collection 一般被称为“GC”，本文详细讲述Java垃圾回收机制。

导读：

一、什么是GC

二、GC经常使用算法

三、垃圾收集器

四、finalize()方法详解

五、总结--根据GC原理来优化代码

正式阅读以前须要了解相关概念：

Java 堆内存分为新生代和老年代，新生代中又分为1个 Eden 区域 和 2个 Survivor 区域。

1、什么是GC：

每一个程序员都遇到过内存溢出的状况，程序运行时，内存空间是有限的，那么如何及时的把再也不使用的对象清除将内存释放出来，这就是GC要作的事。

理解GC机制就从： “GC的区域在哪里” ， “GC的对象是什么” ， “GC的时机是什么” ， “GC作了哪些事” 几方面来分析。

一、须要GC的内存区域

jvm 中，程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈都是随线程而生随线程而灭，栈帧随着方法的进入和退出作入栈和出栈操做，实现了自动的内存清理，所以，咱们的内存垃圾回收主要集中于 java 堆和方法区中，在程序运行期间，这部份内存的分配和使用都是动态的。

二、GC的对象

须要进行回收的对象就是已经没有存活的对象，判断一个对象是否存活经常使用的有两种办法：引用计数和可达分析。

（1）引用计数：每一个对象有一个引用计数属性，新增一个引用时计数加1，引用释放时计数减1，计数为0时能够回收。此方法简单，没法解决对象相互循环引用的问题。

（2）可达性分析（Reachability Analysis）：从GC Roots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，则证实此对象是不可用的。不可达对象。

在Java语言中，GC Roots包括：

虚拟机栈中引用的对象。

方法区中类静态属性实体引用的对象。

方法区中常量引用的对象。

本地方法栈中JNI引用的对象。

三、何时触发GC

(1)程序调用System.gc时能够触发

(2)系统自身来决定GC触发的时机（根据Eden区和From Space区的内存大小来决定。当内存大小不足时，则会启动GC线程并中止应用线程）

GC又分为 minor GC 和 Full GC (也称为 Major GC )

Minor GC触发条件：当Eden区满时，触发Minor GC。

Full GC触发条件：

a.调用System.gc时，系统建议执行Full GC，可是没必要然执行

b.老年代空间不足

c.方法去空间不足

d.经过Minor GC后进入老年代的平均大小大于老年代的可用内存

e.由Eden区、From Space区向To Space区复制时，对象大小大于To Space可用内存，则把该对象转存到老年代，且老年代的可用内存小于该对象大小

四、GC作了什么事

主要作了清理对象，整理内存的工做。Java堆分为新生代和老年代，采用了不一样的回收方式。（回收方式即回收算法详见后文）

2、GC经常使用算法

GC经常使用算法有： 标记-清除算法 ， 标记-压缩算法 ， 复制算法 ， 分代收集算法。

目前主流的JVM（HotSpot）采用的是分代收集算法。

一、标记-清除算法

为每一个对象存储一个标记位，记录对象的状态（活着或是死亡）。分为两个阶段，一个是标记阶段，这个阶段内，为每一个对象更新标记位，检查对象是否死亡；第二个阶段是清除阶段，该阶段对死亡的对象进行清除，执行 GC 操做。

优势

最大的优势是，标记—清除算法中每一个活着的对象的引用只须要找到一个便可，找到一个就能够判断它为活的。此外，更重要的是，这个算法并不移动对象的位置。

缺点

它的缺点就是效率比较低（递归与全堆对象遍历）。每一个活着的对象都要在标记阶段遍历一遍；全部对象都要在清除阶段扫描一遍，所以算法复杂度较高。没有移动对象，致使可能出现不少碎片空间没法利用的状况。

图例

二、标记-压缩算法（标记-整理）

标记-压缩法是标记-清除法的一个改进版。一样，在标记阶段，该算法也将全部对象标记为存活和死亡两种状态；不一样的是，在第二个阶段，该算法并无直接对死亡的对象进行清理，而是将全部存活的对象整理一下，放到另外一处空间，而后把剩下的全部对象所有清除。这样就达到了标记-整理的目的。

优势

该算法不会像标记-清除算法那样产生大量的碎片空间。

缺点

若是存活的对象过多，整理阶段将会执行较多复制操做，致使算法效率下降。

图例

左边是标记阶段，右边是整理以后的状态。能够看到，该算法不会产生大量碎片内存空间。

三、复制算法

该算法将内存平均分红两部分，而后每次只使用其中的一部分，当这部份内存满的时候，将内存中全部存活的对象复制到另外一个内存中，而后将以前的内存清空，只使用这部份内存，循环下去。

注意：

这个算法与标记-整理算法的区别在于，该算法不是在同一个区域复制，而是将全部存活的对象复制到另外一个区域内。

优势

实现简单；不产生内存碎片

缺点

每次运行，总有一半内存是空的，致使可以使用的内存空间只有原来的一半。

图例

四、分代收集算法

如今的虚拟机垃圾收集大多采用这种方式，它根据对象的生存周期，将堆分为 新生代(Young)和老年代(Tenure) 。在新生代中，因为对象生存期短，每次回收都会有大量对象死去，那么这时就采用复制算法。老年代里的对象存活率较高，没有额外的空间进行分配担保，因此可使用标记-整理 或者 标记-清除。

具体过程： 新生代(Young)分为 Eden区，From区与To区

当系统建立一个对象的时候，老是在Eden区操做，当这个区满了，那么就会触发一次 YoungGC ，也就是 年轻代的垃圾回收 。通常来讲这时候不是全部的对象都没用了，因此就会把还能用的对象复制到From区。 

这样整个Eden区就被清理干净了，能够继续建立新的对象，当Eden区再次被用完，就再触发一次YoungGC，而后呢，注意，这个时候跟刚才稍稍有点区别。此次触发YoungGC后， 会将Eden区与From区还在被使用的对象复制到To区 ， 

再下一次YoungGC的时候，则是将 Eden区与To区中的还在被使用的对象复制到From区 。

通过若干次YoungGC后，有些对象在From与To之间来回游荡，这时候From区与To区亮出了底线（阈值），这些家伙要是到如今还没挂掉，对不起，一块儿滚到（复制）老年代吧。

老年代通过这么几回折腾，也就扛不住了（空间被用完），好，那就来次集体大扫除（ Full GC），也就是全量回收。若是Full GC使用太频繁的话，无疑会对系统性能产生很大的影响。因此要合理设置年轻代与老年代的大小，尽可能减小Full GC的操做。

3、垃圾收集器

若是说收集算法是内存回收的方法论，垃圾收集器就是内存回收的具体实现

1.Serial收集器

串行收集器是最古老，最稳定以及效率高的收集器

可能会产生较长的停顿，只使用一个线程去回收

-XX:+UseSerialGC

• 新生代、老年代使用串行回收
• 新生代复制算法
• 老年代标记-压缩

2. 并行收集器

2.1 ParNew

-XX:+UseParNewGC（new表明新生代，因此适用于新生代）

• 新生代并行
• 老年代串行

Serial收集器新生代的并行版本

在新生代回收时使用复制算法

多线程，须要多核支持

-XX:ParallelGCThreads 限制线程数量

2.2 Parallel收集器

相似ParNew 

新生代复制算法 

老年代标记-压缩 

更加关注吞吐量 

-XX:+UseParallelGC  

• 使用Parallel收集器+ 老年代串行

-XX:+UseParallelOldGC 

• 使用Parallel收集器+ 老年代并行

2.3 其余GC参数

-XX:MaxGCPauseMills

• 最大停顿时间，单位毫秒
• GC尽力保证回收时间不超过设定值

-XX:GCTimeRatio  

• 0-100的取值范围
• 垃圾收集时间占总时间的比
• 默认99，即最大容许1%时间作GC

这两个参数是矛盾的。由于停顿时间和吞吐量不可能同时调优

3. CMS收集器

• Concurrent Mark Sweep 并发标记清除（应用程序线程和GC线程交替执行）
• 使用标记-清除算法
• 并发阶段会下降吞吐量（停顿时间减小，吞吐量下降）
• 老年代收集器（新生代使用ParNew）
• -XX:+UseConcMarkSweepGC

CMS运行过程比较复杂，着重实现了标记的过程，可分为

1. 初始标记（会产生全局停顿）

• 根能够直接关联到的对象
• 速度快

2. 并发标记（和用户线程一块儿）  

• 主要标记过程，标记所有对象

3. 从新标记 （会产生全局停顿）  

• 因为并发标记时，用户线程依然运行，所以在正式清理前，再作修正

4. 并发清除（和用户线程一块儿）  

• 基于标记结果，直接清理对象

这里就能很明显的看出，为何CMS要使用标记清除而不是标记压缩，若是使用标记压缩，须要多对象的内存位置进行改变，这样程序就很难继续执行。可是标记清除会产生大量内存碎片，不利于内存分配。 

CMS收集器特色：

尽量下降停顿

会影响系统总体吞吐量和性能

• 好比，在用户线程运行过程当中，分一半CPU去作GC，系统性能在GC阶段，反应速度就降低一半

清理不完全  

• 由于在清理阶段，用户线程还在运行，会产生新的垃圾，没法清理

由于和用户线程一块儿运行，不能在空间快满时再清理（由于也许在并发GC的期间，用户线程又申请了大量内存，致使内存不够）  

• -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction设置触发GC的阈值
• 若是不幸内存预留空间不够，就会引发concurrent mode failure

一旦 concurrent mode failure产生，将使用串行收集器做为后备。

CMS也提供了整理碎片的参数：

-XX:+ UseCMSCompactAtFullCollection Full GC后，进行一次整理

• 整理过程是独占的，会引发停顿时间变长

-XX:+CMSFullGCsBeforeCompaction   

• 设置进行几回Full GC后，进行一次碎片整理

-XX:ParallelCMSThreads  

• 设定CMS的线程数量（通常状况约等于可用CPU数量）

CMS的提出是想改善GC的停顿时间，在GC过程当中的确作到了减小GC时间，可是一样致使产生大量内存碎片，又须要消耗大量时间去整理碎片，从本质上并无改善时间。  

4. G1收集器

G1是目前技术发展的最前沿成果之一，HotSpot开发团队赋予它的使命是将来能够替换掉JDK1.5中发布的CMS收集器。

与CMS收集器相比G1收集器有如下特色：

(1) 空间整合，G1收集器采用标记整理算法，不会产生内存空间碎片。分配大对象时不会由于没法找到连续空间而提早触发下一次GC。

(2)可预测停顿，这是G1的另外一大优点，下降停顿时间是G1和CMS的共同关注点，但G1除了追求低停顿外，还能创建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N毫秒的时间片断内，消耗在垃圾收集上的时间不得超过N毫秒，这几乎已是实时Java（RTSJ）的垃圾收集器的特征了。

上面提到的垃圾收集器，收集的范围都是整个新生代或者老年代，而G1再也不是这样。使用G1收集器时，Java堆的内存布局与其余收集器有很大差异，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，但新生代和老年代再也不是物理隔阂了，它们都是一部分（能够不连续）Region的集合。

G1的新生代收集跟ParNew相似，当新生代占用达到必定比例的时候，开始出发收集。

和CMS相似，G1收集器收集老年代对象会有短暂停顿。

步骤：

(1)标记阶段，首先初始标记(Initial-Mark),这个阶段是停顿的(Stop the World Event)，而且会触发一次普通Mintor GC。对应GC log:GC pause (young) (inital-mark)

(2)Root Region Scanning，程序运行过程当中会回收survivor区(存活到老年代)，这一过程必须在young GC以前完成。

(3)Concurrent Marking，在整个堆中进行并发标记(和应用程序并发执行)，此过程可能被young GC中断。在并发标记阶段，若发现区域对象中的全部对象都是垃圾，那个这个区域会被当即回收(图中打X)。同时，并发标记过程当中，会计算每一个区域的对象活性(区域中存活对象的比例)。

(4)Remark, 再标记，会有短暂停顿(STW)。再标记阶段是用来收集 并发标记阶段 产生新的垃圾(并发阶段和应用程序一同运行)；G1中采用了比CMS更快的初始快照算法:snapshot-at-the-beginning (SATB)。

(5)Copy/Clean up，多线程清除失活对象，会有STW。G1将回收区域的存活对象拷贝到新区域，清除Remember Sets，并发清空回收区域并把它返回到空闲区域链表中。

(6)复制/清除过程后。回收区域的活性对象已经被集中回收到深蓝色和深绿色区域。

4、finalize()方法详解

1. finalize的做用

(1)finalize()是Object的protected方法，子类能够覆盖该方法以实现资源清理工做，GC在回收对象以前调用该方法。

(2)finalize()与C++中的析构函数不是对应的。C++中的析构函数调用的时机是肯定的（对象离开做用域或delete掉），但Java中的finalize的调用具备不肯定性

(3)不建议用finalize方法完成“非内存资源”的清理工做，但建议用于：① 清理本地对象(经过JNI建立的对象)；② 做为确保某些非内存资源(如Socket、文件等)释放的一个补充：在finalize方法中显式调用其余资源释放方法。其缘由可见下文[finalize的问题]

2. finalize的问题

(1)一些与finalize相关的方法，因为一些致命的缺陷，已经被废弃了，如System.runFinalizersOnExit()方法、Runtime.runFinalizersOnExit()方法

(2)System.gc()与System.runFinalization()方法增长了finalize方法执行的机会，但不可盲目依赖它们

(3)Java语言规范并不保证finalize方法会被及时地执行、并且根本不会保证它们会被执行

(4)finalize方法可能会带来性能问题。由于JVM一般在单独的低优先级线程中完成finalize的执行

(5)对象再生问题：finalize方法中，可将待回收对象赋值给GC Roots可达的对象引用，从而达到对象再生的目的

(6)finalize方法至多由GC执行一次(用户固然能够手动调用对象的finalize方法，但并不影响GC对finalize的行为)

3. finalize的执行过程(生命周期)

(1) 首先，大体描述一下finalize流程：当对象变成(GC Roots)不可达时，GC会判断该对象是否覆盖了finalize方法，若未覆盖，则直接将其回收。不然，若对象未执行过finalize方法，将其放入F-Queue队列，由一低优先级线程执行该队列中对象的finalize方法。执行finalize方法完毕后，GC会再次判断该对象是否可达，若不可达，则进行回收，不然，对象“复活”。

(2) 具体的finalize流程：

对象可由两种状态，涉及到两类状态空间，一是终结状态空间 F = {unfinalized, finalizable, finalized}；二是可达状态空间 R = {reachable, finalizer-reachable, unreachable}。各状态含义以下：

• unfinalized: 新建对象会先进入此状态，GC并未准备执行其finalize方法，由于该对象是可达的
• finalizable: 表示GC可对该对象执行finalize方法，GC已检测到该对象不可达。正如前面所述，GC经过F-Queue队列和一专用线程完成finalize的执行
• finalized: 表示GC已经对该对象执行过finalize方法
• reachable: 表示GC Roots引用可达
• finalizer-reachable(f-reachable)：表示不是reachable，但可经过某个finalizable对象可达
• unreachable：对象不可经过上面两种途径可达

状态变迁图：

变迁说明：

(1)新建对象首先处于[reachable, unfinalized]状态(A)

(2)随着程序的运行，一些引用关系会消失，致使状态变迁，从reachable状态变迁到f-reachable(B, C, D)或unreachable(E, F)状态

(3)若JVM检测处处于unfinalized状态的对象变成f-reachable或unreachable，JVM会将其标记为finalizable状态(G,H)。若对象原处于[unreachable, unfinalized]状态，则同时将其标记为f-reachable(H)。

(4)在某个时刻，JVM取出某个finalizable对象，将其标记为finalized并在某个线程中执行其finalize方法。因为是在活动线程中引用了该对象，该对象将变迁到(reachable, finalized)状态(K或J)。该动做将影响某些其余对象从f-reachable状态从新回到reachable状态(L, M, N)

(5)处于finalizable状态的对象不能同时是unreahable的，由第4点可知，将对象finalizable对象标记为finalized时会由某个线程执行该对象的finalize方法，导致其变成reachable。这也是图中只有八个状态点的缘由

(6)程序员手动调用finalize方法并不会影响到上述内部标记的变化，所以JVM只会至多调用finalize一次，即便该对象“复活”也是如此。程序员手动调用多少次不影响JVM的行为

(7)若JVM检测到finalized状态的对象变成unreachable，回收其内存(I)

(8)若对象并未覆盖finalize方法，JVM会进行优化，直接回收对象（O）

(9)注：System.runFinalizersOnExit()等方法可使对象即便处于reachable状态，JVM仍对其执行finalize方法

5、总结

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根据GC的工做原理，咱们能够经过一些技巧和方式，让GC运行更加有效率，更加符合应用程序的要求。一些关于程序设计的几点建议：

1.最基本的建议就是尽早释放无用对象的引用。大多数程序员在使用临时变量的时候，都是让引用变量在退出活动域（scope）后，自动设置为 null.咱们在使用这种方式时候，必须特别注意一些复杂的对象图，例如数组，队列，树，图等，这些对象之间有相互引用关系较为复杂。对于这类对象，GC 回收它们通常效率较低。若是程序容许，尽早将不用的引用对象赋为null.这样能够加速GC的工做。

2.尽可能少用finalize函数。finalize函数是Java提供给程序员一个释放对象或资源的机会。可是，它会加大GC的工做量，所以尽可能少采用finalize方式回收资源。 

3.若是须要使用常用的图片，可使用soft应用类型。它能够尽量将图片保存在内存中，供程序调用，而不引发OutOfMemory. 

4.注意集合数据类型，包括数组，树，图，链表等数据结构，这些数据结构对GC来讲，回收更为复杂。另外，注意一些全局的变量，以及一些静态变量。这些变量每每容易引发悬挂对象（dangling reference），形成内存浪费。 

5.当程序有必定的等待时间，程序员能够手动执行System.gc（），通知GC运行，可是Java语言规范并不保证GC必定会执行。使用增量式GC能够缩短Java程序的暂停时间。

出处：http://www.cnblogs.com/jobbible/p/