十个问题弄清JVM&GC（二）

每一个java开发同窗无论是平常工做中仍是面试里，都会遇到JDK、JVM和GC的问题。本文会从如下10个问题为切入点，带着你们一块儿全面了解一下JVM的方方面面。

1. JVM、JRE和JDK的区别和联系
2. JVM是什么？以及它的主要做用
3. JVM的核心功能有哪些
4. 类加载机制和过程
5. 运行时数据区的逻辑结构
6. JVM的内存模型
7. 如何肯定对象是垃圾
8. 垃圾收集的算法有哪些
9. 各类问世的垃圾收集器
10. JVM调优的参数配置

上一篇文章结尾时咱们谈到，就JVM的设计规范，从使用用途角度JVM的内存大致的分为：线程私有内存区 和 线程共享内存区。

线程私有内存区在类加载器编译某个class文件时就肯定了执行时须要的“程序计数器”和“虚拟栈帧”等所需的空间，而且会伴随着当前执行线程的产生而产生，执行线程的消亡而消亡，所以“线程私有内存区”并不须要考虑内存管理和垃圾回收的问题。线程共享内存区在虚拟机启动时建立，被全部线程共享，是Java虚拟机所管理内存中最应该关注的和最大的一块。首先咱们来一块儿看一下“线程共享内存区”的内存模型是什么样的？

六、JVM的内存模型

如图所示，JVM的内存结构分为堆和非堆两大块区域。

• 其中“非堆”就是上篇文章咱们提到的方法区或叫元数据区，用来存储class类信息的。
• 而“堆”是用来存储JVM各线程执行期间所建立的实例对象或数组的。堆区分为两大块，一个是Old区，一个是Young区。Young区分为两大块，一个是Survivor区（S0+S1），一块是Eden区S0和S1同样大，也能够叫From和To。

之因此这样划分，设计者的目的无非就是为了内存管理，也就是咱们说的垃圾回收。那么什么样的对象是垃圾？垃圾回收算法有哪些？目前经常使用的垃圾回收器又有哪些？这篇文章咱们一块儿弄清楚这些问题和知识点。

七、如何肯定一个对象是垃圾？

要想进行垃圾回收，得先知道什么样的对象是垃圾。目前确认对象是否为垃圾的算法主要有两种：引用计数法和可达性分析法。

• 一、引用计数法：在对象中添加了一个引用计数器，当有地方引用这个对象时，引用计数器的值就加1，当引用失效的时候，引用计数器的值就减1。当引用计数器的值为0时，JVM就开始回收这个对象。

对于某个对象而言，只要应用程序中持有该对象的引用，就说明该对象不是垃圾，若是一个对象没有任何指针对其引用，它就是垃圾。这种方法虽然很简单、高效，可是JVM通常不会选择这个方法，由于这个方法会出现一个弊端：当对象之间相互指向时，两个对象的引用计数器的值都会加1，而因为两个对象时相互指向，因此引用不会失效，这样JVM就没法回收。

• 二、可达性分析法：针对引用计数算法的弊端，JVM采用了另外一种算法，以一些"GC Roots"的对象做为起始点向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链(Reference Chain)，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，便可以进行垃圾回收。不然，证实这个对象有用，不是垃圾。

  
  上图中的obj7和obj8虽然它们互相引用，但从GC Roots出发这两个对象不可达，因此会被标记为垃圾。JVM会把如下几类对象做为GC Roots：

• （1） 虚拟机栈（栈帧中本地变量表）中引用的对象；
• （2） 方法区中类静态属性引用的对象；
• （3） 方法区中常量引用的对象；
• （4） 本地方法栈中JNI（Native方法）引用的对象。

注：在可达性分析算法中不可达的对象，并非直接被回收，这时它们处于缓刑状态，至少须要进行两次标记才会肯定该对象是否被回收：

第一次标记：若是对象在进行可达性分析后发现没有与GC Roots相链接的引用链，那它将会被第一次标记；

第二次标记：第一次标记后接着会进行一次筛选，筛选的条件是此对象是否有必要执行finalize()方法（该方法可将此对象与GC Roots创建联系）。在finalize()方法中没有从新与引用链创建关联关系的，将被进行第二次标记。

第二次标记成功的对象将真的会被回收，若是对象在finalize()方法中从新与引用链创建了关联关系，那么将会逃离本次回收，继续存活。

八、垃圾收集的算法有哪些

知道了如何JVM肯定哪些对象是垃圾后，下面咱们来看一下，面对这些垃圾对象，JVM的回收算法都有哪些。

一、 标记-清除算法（Mark-Sweep）

• 第一步“标记”，以下图所示把堆里全部的对象都扫描一遍，找出哪些是垃圾须要回收的对象，而且把它们标记出来。

• 第二步“清除”，把第一步标记为“UnReference Object”（无引用或不可达）的对象清除掉，释放内存空间。
  
  这种算法的缺点主要有两点：

（1） 标记和清除两个过程都比较耗时，效率不高

（2） 清除后会产生大量不连续的内存碎片空间，碎片空间太多可能会致使当程序后续须要建立较大对象时，没法找到足够连续的内存空间而不得再也不次触发垃圾回收。

二、 标记-复制算法（Mark-Copying）

将内存划分为两块区域，每次使用其中一块，当其中一块用满，触发垃圾回收的时候，将存活的对象复制到另外一块上去，而后把以前使用的那一块进行格式化，一次性清除干净。

（清除前）

（清除后）

“标记-复制”算法的缺点显而易见，就是内存空间利用率低。

三、 标记-整理算法（Mark-Compact）

标记整理算法标记过程仍然与"标记-清除"算法同样，可是后续步骤不是直接对可回收对象进行清理，而是让全部存活的对象都向一端移动，而后直接清理掉端边界之外的内存。

将全部存活的对象向一边移动，清理掉存活边界之外的所有内存空间。

结合这三种算法咱们能够看到，

• “标记-复制”算法的优势是回收效率高，但空间利用率上有必定的浪费。

• 而“标记-整理”算法因为须要向一侧移动等一系列操做，其效率相对低一些，但对内存空间管理上十分优异。

• 所以，“标记-复制”算法适用于那些生命周期短、回收频率高的内存对象，

• 而标记-整理”算法适用于那些生命周期长、回收频率低，但注重回收一次内存空间获得足够释放的场景。

所以JVM的设计者将JVM的堆内存，分为了两大块区域Young区和Old区，Young区存储的就是那些生命周期短，使用一两次就再也不使用的对象，回收一次基本上该区域十之有八的对象所有被回收清理掉，所以Young区采用的垃圾回收算法也就是“标记-复制”算法。Old区存储的是那些生命周期长，通过屡次回收后仍然存活的对象，就把它们放到Old区中，平时再也不去判断这些对象的可达性，直到Old区不够用为止，再进行一次统一的回收，释放出足够的连续的内存空间。

九、各类问世的垃圾收集器

鉴于Young区和Old区须要采用不一样的垃圾回收算法，所以在JVM的整个垃圾收集器的演进各个时代里，针对Young区和Old区每一个时代都是不一样的垃圾收集机制。从JDK1.3开始到目前，JVM垃圾收集器的演进大致分为四个时代：串行时代、并行时代、并发时代和G1时代。

一、串行时代：Serial（Young区）+ Serial Old（Old区）

JDK3（1.3）的时候，大概是2000年左右，那个时代基本计算机都是单核一个CPU的，所以垃圾回收最初的设计实现也是基于单核单线程工做的。而且垃圾回收线程的执行相对于正常业务线程执行来讲仍是STW（stop the world）的，使用一个CPU或者一条收集线程去完成垃圾收集工做，这个线程执行的时候其它线程须要中止。

串行收集器采用单线程stop-the-world的方式进行收集。当内存不足时，串行GC设置停顿标识，待全部线程都进入安全点(Safepoint)时，应用线程暂停，串行GC开始工做，采用单线程方式回收空间并整理内存。单线程也意味着复杂度更低、占用内存更少，但同时也意味着不能有效利用多核优点。所以，串行收集器特别适合堆内存不高、单核甚至双核CPU的场合。

二、并行时代：Parallel Scavenge（Young区） + Parallel Old（Old区）

并行收集器是以关注吞吐量为目标的垃圾收集器，也是server模式下的默认收集器配置，对吞吐量的关注主要体如今年轻代Parallel Scavenge收集器上。

并行收集器与串行收集器工做模式类似，都是stop-the-world方式，只是暂停时并行地进行垃圾收集。年轻代采用复制算法，老年代采用标记-整理，在回收的同时还会对内存进行压缩。关注吞吐量主要指年轻代的Parallel Scavenge收集器，经过两个目标参数-XX:MaxGCPauseMills和-XX:GCTimeRatio，调整新生代空间大小，来下降GC触发的频率。并行收集器适合对吞吐量要求远远高于延迟要求的场景，而且在知足最差延时的状况下，并行收集器将提供最佳的吞吐量。

三、 并发时代：CMS（Old区）

并发标记清除(CMS)是以关注延迟为目标、十分优秀的垃圾回收算法，CMS是针对Old区的垃圾回收实现。

老年代CMS每一个收集周期都要经历：初始标记、并发标记、从新标记、并发清除。其中，初始标记以STW的方式标记全部的根对象；并发标记则同应用线程一块儿并行，标记出根对象的可达路径；在进行垃圾回收前，CMS再以一个STW进行从新标记，标记那些由mutator线程(指引发数据变化的线程，即应用线程)修改而可能错过的可达对象；最后获得的不可达对象将在并发清除阶段进行回收。值得注意的是，初始标记和从新标记都已优化为多线程执行。CMS很是适合堆内存大、CPU核数多的服务器端应用，也是G1出现以前大型应用的首选收集器。

- 但CMS有如下两个缺陷：

• （1）因为它是标记-清除不是标记-整理，所以会产生内存碎片，Old区会随着时间的推移而终究被耗尽或产生没法分配大对象的状况。最后不得不经过底层的担保机制（CMS背后有串行的回收做为兜底）进行一次Full GC，并进行内存压缩。
• （2）因为标记和清除都是通应用线程并发进行，两类线程同时执行时会增长堆内存的占用，一旦某一时刻内存不够用，就会触发底层担保机制，又采用串行回收进行一次STW的垃圾回收。

四、G1时代：Garbage First

G1收集器时代，Java堆的内存布局与就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离的了，它们都是一部分Region（不须要连续）的集合。

如上图所示，每个Region（分区）大小都是同样的，1~32M之间的数值，但必须是2的指数。设置Region大小经过如下参数：-XX:G1HeapRegionSize=M。
G1收集器的原理或特色主要有如下三点：

（1）内存逻辑上仍保留的分代的概念，每个Region同一时间要么被标记为新生代，要么被标记为老年代，要么处于空闲；

（2）总体上采用了“标记-整理算法”，不会产生内存碎片

（3）可预测的停顿，G1总体采用的策略是“筛选回收”，也就是回收前会对各个待回收的Region的回收价值和成本进行排序，根据G1配置所指望的回收时间，选择排在前面的几个Region进行回收。

其实之因此叫G1（Garbage First）就是由于它优先选择回收垃圾比较多的Region分区。
总体G1的垃圾回收工做步骤分为：初始标记、并发标记、最终标记和筛选回收。

五、ZGC：Zero GC

这篇文章简单提一下这个最新问世的垃圾收集器，之因此叫“Zero GC”是由于它追求的是更低的GC停顿时间，追求的目标是：支持TB级堆内存（最大4T）、最大GC停顿10ms。JDK11新引入的ZGC收集器，无论是物理上仍是逻辑上，ZGC中已经不存在新老年代的概念了会分为一个个page，当进行GC操做时会对page进行压缩，所以没有碎片问题。因为其是JDK11和只能在64位的linux上使用，所以目前用得还比较少。

结语

以上整体两篇文章七千字，就是我从JVM的做用、设计框架到JVM内存管理的总体的体系化理解。感谢。

拓展阅读：十个问题弄清JVM&GC（二）

做者：宜信技术学院 谭文涛