jvm垃圾回收机制探析

java, jvm

最近比较粗浅的接触了一下JVM，发现有很多东西还是非常有意思的，并不像之前的印象，觉得JVM相关的东西生涩难懂。本文主要记录这段时间内对JVM的接触，主要包括这么几个内容：

  • JVM结构及内存管理机制

  • JVM垃圾回收常见算法

  • 各种垃圾回收器对比分析

  • 垃圾回收器参数汇总

1. JVM组成结构

JVM主要由3部分组成，分别是类加载子系统（ClassLoader），执行引擎（Execute Engine），运行数据区域（Runtime Data Area）。

1.1 类加载器

类加载器负责对Class文件的装载工作，JVM内部对ClassLoader也有一套完整的体系结构，ClassLoader主要分为以下几种：

  • Bootstrap ClassLoader
    启动类加载器，Classloader体系的根节点，其他ClassLoader都是通过直接或间接继承至它，它在JVM启动时加载，主要加载\lib，或是-Xbootclasspath参数指定的路径中的，并且可以被虚拟机识别(仅仅按照文件名识别的)的类库到虚拟机内存中。

  • Extension ClassLoader
    扩展类加载器，继承于Bootstrap，主要负责加载\lib\ext目录中的，或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中的所有类库。

  • Application ClassLoader
    应用程序类加载器，继承至扩展类加载器，主要负责加载ClassPath路径上的类库，如果应用程序没有自定义自己类加载器，则这个就是默认的类加载器。

类加载器采用双亲委派模型工作，如果一个类加载器收到一个类加载的请求，它首先将这个请求委派给父类加载器去完成，每一个层次类加载器都是如此，则所有的类加载请求都会传送到顶层的启动类加载器，只有父加载器无法完成这个加载请求(即它的搜索范围中没有找到所要的类)，子类才尝试加载。这样做的好处有两点：1）可以避免重复加载，2）安全角度考虑，防止用户自定义类加载器替代Java的核心API。

1.2 运行数据区

运行数据区实际上就是JVM的内存管理区，它主要分为5个部分，分别是：

  • 方法区（Method Area）
    方法区主要存放类信息，类的静态变量，常量，属性，方法等信息。

  • 堆（heap）
    所有通过new操作创建的对象的内存都在堆中分配。堆又被划分为新生代（Young Generation）和旧生代（Tenured Generation）。新生代又被进一步划分为Eden和Survivor区，最后Survivor由From和To组成，新建的对象都是用新生代的Eden分配内存，Eden空间不足的时候，会把存活的对象转移到Survivor中，新生代大小可以由-Xmn来控制，也可以用-XX:SurvivorRatio来控制Eden和Survivor的比例旧生代。eden,from ,to的默认比例是8：1：1。

  • 栈(Stack)
    每个线程执行每个方法的时候都会在栈中申请一个栈帧，每个栈帧包括局部变量区和操作数栈，用于存放此次方法调用过程中的临时变量、参数和中间结果

  • 程序计数器(Program Counter Register)

  • 本地方法栈(Native Method Stack)
    用于支持native方法的执行，存储了每个native方法调用的状态。

2. JVM垃圾回收算法

JVM垃圾回收要经过两个主要过程，垃圾的收集和垃圾的回收，对于垃圾收集，主要有以下两种算法：

2.1 垃圾收集

2.1.1 引用计数算法

在JDK1.2之前，使用的是引用计数器算法，即当这个类被加载到内存以后，就会产生方法区，堆栈、程序计数器等一系列信息，当创建对象的时候，为这个对象在堆栈空间中分配对象，同时会产生一个引用计数器，同时引用计数器+1，当有新的引用的时候，引用计数器继续+1，而当其中一个引用销毁的时候，引用计数器-1，当引用计数器被减为零的时候，标志着这个对象已经没有引用了，可以回收了！
，但是随着业务的发展，很快出现了一个问题当我们的代码出现下面的情形时，该算法将无法适应：
ObjA.obj = ObjB
ObjB.obj = ObjA
这样的代码会产生如下引用情形 objA指向objB，而objB又指向objA，这样当其他所有的引用都消失了之后，objA和objB还有一个相互的引用，也就是说两个对象的引用计数器各为1，而实际上这两个对象都已经没有额外的引用，已经是垃圾了。

2.1.2 根搜索算法

根搜索算法是从离散数学中的图论引入的，程序把所有的引用关系看作一张图，从一个节点GC ROOT开始，寻找对应的引用节点，找到这个节点以后，继续寻找这个节点的引用节点，当所有的引用节点寻找完毕之后，剩余的节点则被认为是没有被引用到的节点，即无用的节点。
目前java中可作为GC Root的对象有：
1、 虚拟机栈中引用的对象（本地变量表）
2、 方法区中静态属性引用的对象
3、 方法区中常量引用的对象
4、 本地方法栈中引用的对象（Native对象）

2.2 垃圾回收算法

对于收集到的垃圾，JVM是采用什么算法进行回收的呢？主要有这么几种：

  • 标记-清除算法
  • 复制算法
  • 标记-整理算法

2.2.1 标记清除算法

标记-清除算法采用从根集合进行扫描，对存活的对象对象标记，标记完毕后，再扫描整个空间中未被标记的对象，进行回收，如图所示。
标记-清除算法不需要进行对象的移动，并且仅对不存活的对象进行处理，在存活对象比较多的情况下极为高效，但由于标记-清除算法直接回收不存活的对象，因此会造成内存碎片！
标记清除算法

2.2.2 复制算法

复制算法采用从根集合扫描，并将存活对象复制到一块新的，没有使用过的空间中，这种算法当控件存活的对象比较少时，极为高效，但是带来的成本是需要一块内存交换空间用于进行对象的移动
复制算法

2.2.3 标记整理算法

标记-整理算法采用标记-清除算法一样的方式进行对象的标记，但在清除时不同，在回收不存活的对象占用的空间后，会将所有的存活对象往左端空闲空间移动，并更新对应的指针。标记-整理算法是在标记清除算法的基础上，又进行了对象的移动，因此成本更高，但是却解决了内存碎片的问题。
标记整理算法

3. JVM 常见垃圾回收器

为了达到最优效果，JVM分别针对新生代和旧生代实现了不同的垃圾回收器。如图：
垃圾回收器

3.1 串行回收器（Serial）

Serial收集器是历史最悠久的一个回收器，JDK1.3之前广泛使用这个收集器，目前也是ClientVM下 ServerVM 4核4GB以下机器的默认垃圾回收器。串行收集器并不是只能使用一个CPU进行收集，而是当JVM需要进行垃圾回收的时候，需要中断所有的用户线程，知道它回收结束为止，因此又号称“Stop The World”的垃圾回收器。

3.2 ParNew回收器

ParNew收集器其实就是多线程版本的Serial收集器，同样有
Stop The World的问题，他是多CPU模式下的首选回收器（该回收器在单CPU的环境下回收效率远远低于Serial收集器，所以一定要注意场景哦），也是Server模式下的默认收集器。

3.3 ParallelScavenge

ParallelScavenge又被称为是吞吐量优先的收集器。

3.4 SerialOld

SerialOld是旧生代Client模式下的默认收集器，单线程执行；在JDK1.6之前也是ParallelScvenge回收新生代模式下旧生代的默认收集器，同时也是并发收集器CMS回收失败后的备用收集器。

3.5 ParallelOld

ParallelOld是老生代并行收集器的一种，使用标记整理算法、是老生代吞吐量优先的一个收集器。这个收集器是JDK1.6之后刚引入的一款收集器，早期没有ParallelOld之前，吞吐量优先的收集器老生代只能使用串行回收收集器，大大的拖累了吞吐量优先的性能，自从JDK1.6之后，才能真正做到较高效率的吞吐量优先。

3.6 CMS

CMS又称响应时间优先(最短回收停顿)的回收器，使用并发模式回收垃圾，使用标记-清除算法，CMS对CPU是非常敏感的，它的回收线程数=（CPU+3）/4，因此当CPU是2核的实惠，回收线程将占用的CPU资源的50%，而当CPU核心数为4时仅占用25%。