java垃圾回收的必要性

程序的运行必然需要申请内存资源，无效的对象资源如果不及时处理就会一直占有内存资源，最终将导致内存溢

出，所以对内存资源的管理是非常重要了。

在C/C++语言中，没有自动垃圾回收机制，是通过new关键字申请内存资源，通过delete关键字释放内存资源。

如果，程序员在某些位置没有写delete进行释放，那么申请的对象将一直占用内存资源，最终可能会导致内存溢

出。

为了让程序员更专注于代码的实现，而不用过多的考虑内存释放的问题，所以，在Java语言中，有了自动的垃圾回收机制，也就是我们熟悉的GC。

有了垃圾回收机制后，程序员只需要关心内存的申请即可，内存的释放由系统自动识别完成。

换句话说，自动的垃圾回收的算法就会变得非常重要了，如果因为算法的不合理，导致内存资源一直没有释放，同样也可能会导致内存溢出的。

当然，除了Java语言，C#、Python等语言也都有自动的垃圾回收机制。

常见的垃圾回收算法

自动化的管理内存资源，垃圾回收机制必须要有一套算法来进行计算，哪些是有效的对象，哪些是无效的对象，对

于无效的对象就要进行回收处理。

常见的垃圾回收算法有：引用计数法、标记清除法、标记压缩法、复制算法、分代算法等。

引用计数法：

原理:

假设有一个对象A，任何一个对象对A的引用，那么对象A的引用计数器+1，当引用失败时，对象A的引用计数器就-1，如果对象A的计数器的值为0，就说明对象A没有引用了，可以被回收。

优点：

实时性较高，无需等到内存不够的时候，才开始回收，运行时根据对象的计数器是否为0，就可以直接回收。
在垃圾回收过程中，应用无需挂起。如果申请内存时，内存不足，则立刻报outofmember 错误。
区域性，更新对象的计数器时，只是影响到该对象，不会扫描全部对象。

缺点：

每次对象被引用时，都需要去更新计数器，有一点时间开销。
浪费CPU资源，即使内存够用，仍然在运行时进行计数器的统计。
无法解决循环引用问题。（最大的缺点）

循环引用

class TestA{
 public TestB b;
}
class TestB{
 public TestA a;
}
public class Main{
  public static void main(String[] args){
    A a = new A();
    B b = new B();
    a.b=b;
    b.a=a;
    a = null;
    b = null;
 }
}

虽然a和b都为null，但是由于a和b存在循环引用，这样a和b永远都不会被回收。

标记清除算法

原理：

标记清除算法，是将垃圾回收分为2个阶段，分别是标记和清除。

标记：从根节点开始标记引用的对象。
清除：未被标记引用的对象就是垃圾对象，可以被清理。

GC垃圾回收机制java垃圾回收的必要性常见的垃圾回收算法垃圾收集器以及内存分配

这张图代表的是程序运行期间所有对象的状态，它们的标志位全部是0（也就是未标记，以下默认0就是未标记，1为已标记），假设这会儿有效内存空间耗尽了，JVM将会停止应用程序的运行并开启GC线程，然后开始进行标记工作，按照根搜索算法，标记完以后，对象的状态如下图。

可以看到，按照根搜索算法，所有从root对象可达的对象就被标记为了存活的对象，此时已经完成了第一阶段标记。接下来，就要执行第二阶段清除了，那么清除完以后，剩下的对象以及对象的状态如下图所示。

可以看到，没有被标记的对象将会回收清除掉，而被标记的对象将会留下，并且会将标记位重新归0。接下来就不用说了，唤醒停止的程序线程，让程序继续运行即可。

优点：标记清除算法解决了引用计数算法中的循环引用的问题，没有从root节点引用的对象都会被回收。
效率较低，标记和清除两个动作都需要遍历所有的对象，并且在GC时，需要停止应用程序，对于交互性要求比较高的应用而言这个体验是非常差的。

通过标记清除算法清理出来的内存，碎片化较为严重，因为被回收的对象可能存在于内存的各个角落，所以

清理出来的内存是不连贯的。

标记压缩算法

标记压缩算法是在标记清除算法的基础之上，做了优化改进的算法。和标记清除算法一样，也是从根节点开始，对对象的引用进行标记，在清理阶段，并不是简单的清理未标记的对象，而是将存活的对象压缩到内存的一端，然后清理边界以外的垃圾，从而解决了碎片化的问题。

优缺点：

优缺点同标记清除算法，解决了标记清除算法的碎片化的问题，同时，标记压缩算法多了一步，对象移动内存位置的步骤，其效率也有有一定的影响。

复制算法

复制算法的核心就是，将原有的内存空间一分为二，每次只用其中的一块，在垃圾回收时，将正在使用的对象复制到另一个内存空间中，然后将该内存空间清空，交换两个内存的角色，完成垃圾的回收。

如果内存中的垃圾对象较多，需要复制的对象就较少，这种情况下适合使用该方式并且效率比较高，反之，则不适合。

JVM中年轻代的内存空间（young-gc|年轻代使用的复制算法）

在GC开始的时候，对象只会存在于Eden区和名为“From”的Survivor区，Survivor区“To”是空的。
紧接着进行GC，Eden区中所有存活的对象都会被复制到“To”，而在“From”区中，仍存活的对象会根据他们的年龄值来决定去向。年龄达到一定值(年龄阈值，可以通过-XX:MaxTenuringThreshold来设置)的对象会被移动到年老代中，没有达到阈值的对象会被复制到“To”区域。
经过这次GC后，Eden区和From区已经被清空。这个时候，“From”和“To”会交换他们的角色，也就是新

的“To”就是上次GC前的“From”，新的“From”就是上次GC前的“To”。不管怎样，都会保证名为To的Survivor区域是空的。

GC会一直重复这样的过程，直到“To”区被填满，“To”区被填满之后，会将所有对象移动到年老代中。

在垃圾对象多的情况下，效率较高（使用在young区比较合适，因为new的对象比较多，然后就会大量的回收）
清理后，内存无碎片
在垃圾对象少的情况下，不适用，如：老年代内存
分配的2块内存空间，在同一个时刻，只能使用一半，内存使用率较低

分代算法

前面介绍了多种回收算法，每一种算法都有自己的优点也有缺点，谁都不能替代谁，所以根据垃圾回收对象的特点进行选择，才是明智的选择。

分代算法其实就是这样的，根据回收对象的特点进行选择，在jvm中，年轻代适合使用复制算法，老年代适合使用标记清除或标记压缩算法。

垃圾收集器以及内存分配

串行垃圾收集器

串行垃圾收集器，是指使用单线程进行垃圾回收，垃圾回收时，只有一个线程在工作，并且java应用中的所有线程都要暂停，等待垃圾回收的完成。这种现象称之为STW（Stop-The-World）。

对于交互性较强的应用而言，这种垃圾收集器是不能够接受的。

一般在Javaweb应用中是不会采用该收集器的。

测试GC：

编写代码

public class TestGC {
  public static void main(String[] args) throws Exception {
    List<Object> list = new ArrayList<Object>();
    while (true){
      int sleep = new Random().nextInt(100);
      if(System.currentTimeMillis() % 2 ==0){
        list.clear();
     }else{
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
          Properties properties = new Properties();
          properties.put("key_"+i, "value_" + System.currentTimeMillis() +
i);
          list.add(properties);
       }
     }
     // System.out.println("list大小为：" + list.size());
      Thread.sleep(sleep);
   }
 }
}

设置垃圾回收为串行收集器
在程序运行参数中添加2个参数，如下：

-XX:+UseSerialGC 指定年轻代和老年代都使用串行垃圾收集器

-XX:+PrintGCDetails 打印垃圾回收的详细信息

# 为了测试GC，将堆的初始和最大内存都设置为16M
-XX:+UseSerialGC -XX:+PrintGCDetails -Xms16m -Xmx16m

启动程序，可以看到下面信息：

[GC (Allocation Failure) [DefNew: 4416K->512K(4928K), 0.0046102 secs] 4416K-
>1973K(15872K), 0.0046533 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
[Full GC (Allocation Failure) [Tenured: 10944K->3107K(10944K), 0.0085637 secs] 15871K-
>3107K(15872K), [Metaspace: 3496K->3496K(1056768K)], 0.0085974 secs] [Times: user=0.02
sys=0.00, real=0.01 secs]

GC日志信息解读：
年轻代的内存GC前后的大小：
- DefNew：表示使用的是串行垃圾收集器。
  - 4416K->512K(4928K) ：表示，年轻代GC前，占有4416K内存，GC后，占有512K内存，总大小4928K
  - 0.0046102 secs：表示，GC所用的时间，单位为毫秒。
  - 4416K->1973K(15872K)：表示，GC前，堆内存占有4416K，GC后，占有1973K，总大小为15872K
  - Full GC：表示，内存空间全部进行GC

并行垃圾收集器

并行垃圾收集器在串行垃圾收集器的基础之上做了改进，将单线程改为了多线程进行垃圾回收，这样可以缩短垃圾回收的时间。（这里是指，并行能力较强的机器）

当然了，并行垃圾收集器在收集的过程中也会暂停应用程序，这个和串行垃圾回收器是一样的，只是并行执行，速度更快些，暂停的时间更短一些。

ParNew垃圾收集器（工作在年轻代上面）

ParNew垃圾收集器是工作在年轻代上的，只是将串行的垃圾收集器改为了并行。

通过-XX:+UseParNewGC参数设置年轻代使用ParNew回收器，老年代使用的依然是串行收集器。

ParallelGC垃圾收集器（工作在年轻代或者是老年代上面）

ParallelGC收集器工作机制和ParNewGC收集器一样，只是在此基础之上，新增了两个和系统吞吐量相关的参数，

使得其使用起来更加的灵活和高效。

CMS垃圾收集器

CMS全称 Concurrent Mark Sweep，是一款并发的、使用标记-清除算法的垃圾回收器，该回收器是针对老年代垃圾回收的，通过参数-XX:+UseConcMarkSweepGC进行设置。

初始化标记(CMS-initial-mark) ,标记root，会导致stw；
并发标记(CMS-concurrent-mark)，与用户线程同时运行；
预清理（CMS-concurrent-preclean），与用户线程同时运行；
重新标记(CMS-remark) ，会导致stw；
并发清除(CMS-concurrent-sweep)，与用户线程同时运行；
调整堆大小，设置CMS在清理之后进行内存压缩，目的是清理内存中的碎片；
并发重置状态等待下次CMS的触发(CMS-concurrent-reset)，与用户线程同时运行；

G1垃圾收集器（重点）

G1垃圾收集器是在jdk1.7中正式使用的全新的垃圾收集器，oracle官方计划在jdk9中将G1变成默认的垃圾收集器，以替代CMS。

G1的设计原则就是简化JVM性能调优，开发人员只需要简单的三步即可完成调优：

第一步，开启G1垃圾收集器
第二步，设置堆的最大内存
第三步，设置最大的停顿时间

G1中提供了三种模式垃圾回收模式，Young GC、Mixed GC 和 Full GC，在不同的条件下被触发。

原理

G1垃圾收集器相对比其他收集器而言，最大的区别在于它取消了年轻代、老年代的物理划分，取而代之的是将堆划分为若干个区域（Region），这些区域中包含了有逻辑上的年轻代、老年代区域。

这样做的好处就是，我们再也不用单独的空间对每个代进行设置了，不用担心每个代内存是否足够。

在G1划分的区域中，年轻代的垃圾收集依然采用暂停所有应用线程的方式，将存活对象拷贝到老年代或者Survivor空间，G1收集器通过将对象从一个区域复制（将区域覆盖）到另外一个区域，完成了清理工作。

这就意味着，在正常的处理过程中，G1完成了堆的压缩（至少是部分堆的压缩），这样也就不会有cms内存碎片问题的存在了。

在G1中，有一种特殊的区域，叫Humongous区域。

如果一个对象占用的空间超过了分区容量50%以上，G1收集器就认为这是一个巨型对象。

这些巨型对象，默认直接会被分配在老年代，但是如果它是一个短期存在的巨型对象，就会对垃圾收集器造

成负面影响。

为了解决这个问题，G1划分了一个Humongous区，它用来专门存放巨型对象。如果一个H区装不下一个巨型

对象，那么G1会寻找连续的H分区来存储。为了能找到连续的H区，有时候不得不启动Full GC。

Young GC

Young GC主要是对Eden区进行GC，它在Eden空间耗尽时会被触发。

Eden空间的数据移动到Survivor空间中，如果Survivor空间不够，Eden空间的部分数据会直接晋升到年老代

空间。

Survivor区的数据移动到新的Survivor区中，也有部分数据晋升到老年代空间中。
最终Eden空间的数据为空，GC停止工作，应用线程继续执行。

Remembered Set（已记忆集合）

在GC年轻代的对象时，我们如何找到年轻代中对象的根对象呢？

根对象可能是在年轻代中，也可以在老年代中，那么老年代中的所有对象都是根么？

如果全量扫描老年代，那么这样扫描下来会耗费大量的时间。

于是，G1引进了RSet的概念。它的全称是Remembered Set，其作用是跟踪指向某个堆内的对象引用。

每个Region初始化时，会初始化一个RSet，该集合用来记录并跟踪其它Region指向该Region中对象的引用，每个Region默认按照512Kb划分成多个Card，所以RSet需要记录的东西应该是 xx Region的 xx Card。

Mixed GC

当越来越多的对象晋升到老年代old region时，为了避免堆内存被耗尽，虚拟机会触发一个混合的垃圾收集器，即Mixed GC，该算法并不是一个Old GC，除了回收整个Young Region，还会回收一部分的Old Region，这里需要注意：是一部分老年代，而不是全部老年代，可以选择哪些old region进行收集，从而可以对垃圾回收的耗时时间进行控制。也要注意的是Mixed GC 并不是 Full GC。

MixedGC什么时候触发？由参数 -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=n 决定。默认：45%，该参数的意思是：

当老年代大小占整个堆大小百分比达到该阀值时触发。

它的GC步骤分2步：

全局并发标记（global concurrent marking）
拷贝存活对象（evacuation）

全局并发标记

全局并发标记，执行过程分为五个步骤：

初始标记（initial mark，STW）

标记从根节点直接可达的对象，这个阶段会执行一次年轻代GC，会产生全局停顿。

根区域扫描（root region scan）

G1 GC 在初始标记的存活区扫描对老年代的引用，并标记被引用的对象。

该阶段与应用程序（非 STW）同时运行，并且只有完成该阶段后，才能开始下一次 STW 年轻代垃圾回

收。

并发标记（Concurrent Marking）

G1 GC 在整个堆中查找可访问的（存活的）对象。该阶段与应用程序同时运行，可以被 STW 年轻代垃

圾回收中断。

重新标记（Remark，STW）

该阶段是 STW 回收，因为程序在运行，针对上一次的标记进行修正。

清除垃圾（Cleanup，STW）

清点和重置标记状态，该阶段会STW，这个阶段并不会实际上去做垃圾的收集，等待evacuation阶段来

回收。

拷贝存活对象

Evacuation阶段是全暂停的。该阶段把一部分Region里的活对象拷贝到另一部分Region中，从而实现垃圾的回收清理。

G1收集器相关参数

-XX:+UseG1GC

使用 G1 垃圾收集器

设置期望达到的最大GC停顿时间指标（JVM会尽力实现，但不保证达到），默认值是 200 毫秒。

-XX:G1HeapRegionSize=n

设置的 G1 区域的大小。值是 2 的幂，范围是 1 MB 到 32 MB 之间。目标是根据最小的 Java 堆大小划

分出约 2048 个区域。默认是堆内存的1/2000。

-XX:ParallelGCThreads=n

设置 STW 工作线程数的值。将 n 的值设置为逻辑处理器的数量。n 的值与逻辑处理器的数量相同，最多

为 8。

-XX:ConcGCThreads=n

设置并行标记的线程数。将 n 设置为并行垃圾回收线程数 (ParallelGCThreads) 的 1/4 左右。

-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=n

设置触发标记周期的 Java 堆占用率阈值。默认占用率是整个 Java 堆的 45%。

测试结果及说明：

-XX:+UseG1GC -XX:MaxGCPauseMillis=100 -XX:+PrintGCDetails -Xmx256m
#日志
[GC pause (G1 Evacuation Pause) (young), 0.0044882 secs]
 [Parallel Time: 3.7 ms, GC Workers: 3]
  [GC Worker Start (ms): Min: 14763.7, Avg: 14763.8, Max: 14763.8, Diff: 0.1]
   #扫描根节点
  [Ext Root Scanning (ms): Min: 0.2, Avg: 0.3, Max: 0.3, Diff: 0.1, Sum: 0.8]
   #更新RS区域所消耗的时间
  [Update RS (ms): Min: 1.8, Avg: 1.9, Max: 1.9, Diff: 0.2, Sum: 5.6]
    [Processed Buffers: Min: 1, Avg: 1.7, Max: 3, Diff: 2, Sum: 5]
  [Scan RS (ms): Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.0, Diff: 0.0, Sum: 0.0]
  [Code Root Scanning (ms): Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.0, Diff: 0.0, Sum: 0.0]
   #对象拷贝
  [Object Copy (ms): Min: 1.1, Avg: 1.2, Max: 1.3, Diff: 0.2, Sum: 3.6]
  [Termination (ms): Min: 0.0, Avg: 0.1, Max: 0.2, Diff: 0.2, Sum: 0.2]
    [Termination Attempts: Min: 1, Avg: 1.0, Max: 1, Diff: 0, Sum: 3]
  [GC Worker Other (ms): Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.0, Diff: 0.0, Sum: 0.0]
  [GC Worker Total (ms): Min: 3.4, Avg: 3.4, Max: 3.5, Diff: 0.1, Sum: 10.3]
  [GC Worker End (ms): Min: 14767.2, Avg: 14767.2, Max: 14767.3, Diff: 0.1]
 [Code Root Fixup: 0.0 ms]
 [Code Root Purge: 0.0 ms]
 [Clear CT: 0.0 ms] #清空CardTable
 [Other: 0.7 ms]
  [Choose CSet: 0.0 ms] #选取CSet
  [Ref Proc: 0.5 ms] #弱引用、软引用的处理耗时
  [Ref Enq: 0.0 ms] #弱引用、软引用的入队耗时
  [Redirty Cards: 0.0 ms]
  [Humongous Register: 0.0 ms] #大对象区域注册耗时
  [Humongous Reclaim: 0.0 ms] #大对象区域回收耗时
  [Free CSet: 0.0 ms]
 [Eden: 7168.0K(7168.0K)->0.0B(13.0M) Survivors: 2048.0K->2048.0K Heap:
55.5M(192.0M)->48.5M(192.0M)] #年轻代的大小统计
[Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]

对于G1垃圾收集器优化建议

年轻代大小

避免使用 -Xmn 选项或 -XX:NewRatio 等其他相关选项显式设置年轻代大小。

固定年轻代的大小会覆盖暂停时间目标。

暂停时间目标不要太过严苛

G1 GC 的吞吐量目标是 90% 的应用程序时间和 10%的垃圾回收时间。

评估 G1 GC 的吞吐量时，暂停时间目标不要太严苛。目标太过严苛表示您愿意承受更多的垃圾回收开

销，而这会直接影响到吞吐量。

可视化GC日志分析工具

GC日志输出参数

-XX:+PrintGC 输出GC日志
-XX:+PrintGCDetails 输出GC的详细日志
-XX:+PrintGCTimeStamps 输出GC的时间戳（以基准时间的形式）
-XX:+PrintGCDateStamps 输出GC的时间戳（以日期的形式，如 2013-05-04T21:53:59.234+0800）
-XX:+PrintHeapAtGC 在进行GC的前后打印出堆的信息
-Xloggc:../logs/gc.log 日志文件的输出路径

运行后就可以在F盘下生成gc.log文件。

GC Easy 可视化工具

网址：

http://gceasy.io/

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