【JVM】对象分配与回收--垃圾回收机制

对象回收需要确认三件事，那些需要回收（对象存活判定，二次标记），何时回收（GC触发条件）以及如何回收（垃圾回收算法，垃圾回收器）

1.对象存活判定算法

1）引用计数法

2）可达性分析：GCRoots作为起始点，沿着引用链搜索。

GCRoots可以为：虚拟机栈中引用的对象；本地方法栈中native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；

2.引用的四种类型（应用场景）

1）强引用：即常见的那种引用，一个引用指向堆内存中对象。

2）软引用：还有用但非必须的，当空间不足了（即将OOM），才会对它进行回收。

3）弱引用：也是非必须的，不管空间剩余多少，只要有垃圾回收就进行回收。

4）虚引用：一个对象是否有虚引用，不会对它的生存事件有任何影响，也无法通过虚引用获得一个实例。唯一目的能在对象被回收时收到一个系统通知。

3.finalize()（两次标记）

1）当对象被判定为不可达后，会进行一次标记，并筛选出覆盖了finalize方法且还没被执行过的对象进入下一步，那些没有覆盖的，或覆盖但已执行过的（finalize只能执行一次）将会被回收。

2）将筛选出的对象加入一个队列，并有一个优先级很低的Finalier线程去执行队列中对象的finalize方法，若finalize方法中该对象重新获得了引用，则复活，否则在第二次标记时他将被回收（第二次标记就是第一步中的标记，循环这两步）。

4.垃圾回收算法

1）标记清除：将不可达的对象进行标记，GC时回收、---->效率低、空间碎片

2）复制：将内存区域（堆）分为两块，每次只使用其中的一块。将可达对象进行标记，复制到另一边，然后将刚才那一边全部清空。

这中算法适用于存活对象很少的情况，经常被用于新生代的垃圾回收。

3）标记整理：将不可达对象标记后，清除对象后将存活对象向一端移动，减少空间碎片的产生。

该算法被广泛使用于老年代中。

4）分代收集：由于不同的对象有自己不同的特点。将区域划分为新生代与老年代。

新生代：对象大都朝生夕死，存活时间短。每次GC只有少量对象存活。一般用复制算法。（复制算法一般需要空间分配担保空间）

老年代：对象存活时间较长。也没有额外空间对他进行分配担保，更适合标记清除 、标记整理算法。

5、垃圾回收器

要注意垃圾回收器的设计目标是，有的是为了减少STW的时间，有的是为了吞吐量。这也应该作为一个选择回收器的标准。

1）Serial / Serial Old

Serial是一个单线程的垃圾回收器，进行垃圾回收时，必然要STW。Serial在新生代采用复制算法，其对应的老年代回收器在老年代采用标记整理法。

2）ParNew 

ParNew实质上一个多线程的Serial，他能够实现多个线程进行垃圾回收，但仍是需要用户线程STW之后才能并发执行垃圾回收。一般开启CPU核数个线程，用-XX：ParallelGCThreads设置。也可以用-XX:SurvivorRatio设置年轻代Eden与Survivor的比例，-XX:HandlerPromotionFailure设置空间分配担保是否开启。

是一种年轻代的垃圾回收器，采用复制算法。

3）Parallel Scavenge收集器 /Parallel Old

这是一款新生代收集器，也是采用复制算法。特点是关注点不在于停顿时间，而在于吞吐量。可通过时设置-XX:UseAdapatorSizePolicy为true将该收集器设为一个自适应调节策略，会自动根据吞吐量与停顿时间等因素进行自适应调节。

相关参数：设置吞吐量大小-XX: GCTimeRatio，-XX:MaxGCPauseMillis:设置最大垃圾收集停顿时间，-XX:UseAdaptativeSizePolicy自适应的设置新生代中区域的比例

Parallel Old是它的老年代的回收器，采用多线程和标记整理算法实现，可以选择Parallel Scavenge与Parallel Old配合使用组合为一个注重吞吐量的垃圾回收机制。

4）CMS （Concurrent Mark Sweep）老年代回收器！

由名字就可以看出来，是一款基于并发的标记清除算法的收集器，CMS收集器是针对于老年带的收集器，以最短停顿时间为目标。

STEP   分为四个步骤，其中耗时最长的并发标记与并发清除是与用户线程并发完成的，而其它两个步骤会有短暂的停顿，以此种方式尽量减少停顿时间

a.初始标记：就是标记一些GCRoots的直接引用，速度非常快，这一过程会有短暂的SWT

b.并发标记：与用户线程并发的进行GCRoots tracing，沿引用链去标记不可达的对象。

c.重新标记：由于第二步是与用户线程一起发生的，有可能在回收过程中会有新的垃圾产生，这一步就是对于这些浮动垃圾进行标记（短暂停顿）

d.并发清除：与用户线程并发进行垃圾回收，采用标记清除算法。

优缺点

并发收集、低停顿

a.对CPU资源敏感，降低吞吐量（吞吐量指用户线程占用时间/总运行时间，这种算法占用了用户现成的一部分CPU时间）（并发涉及的程序都会争抢CPU资源）

b.标记清除算法导致的空间碎片：可能会造成大量空间浪费，若大对象（直接进入老年代）存储时，则会由于连续空间不足引发FullGC。可通过设置-XX:UseCMSCompactAtFullCollection开关，设置是否在FullGC前执行碎片整理合并。

c.浮动垃圾：在并发阶段，用户也可能会随时产生垃圾。在这里需要考虑另一个问题，由于是并发的，所以我们需要考虑用户线程需要占用一部分存储空间，就不可能等到老年代快满了再回收垃圾，需预留给用户线程一些空间。可以通过设置-XX:CMSInitialingOccupationFraction来设置触发FullGC时内存空间使用比例，若这个参数过低，则会增加发生GC的次数；若过高，留给用户空间的内存不够，又会引发Concurrent Mode Failure，而启用Serial Old收集器作为备份方案。

5）G1（Garbage first）

特点

a.将新生代与年老代同一划分为多个Region区域。

b.标记整理算法。

c.与用户线程并发执行。

d.可预测停顿时间。因为可以有计划的避免在整个java堆中进行全局的回收，将堆划分为多个Region，并为每个计算Region里垃圾堆积的价值大小(回收空间大小以及时间)，根据价值维护一个Region的优先列表，每次都选取列表中第一个进行回收，即回收价值最大的那个Region。

需要考虑的问题是：化整为零后，多个region之间的一些引用如何确定呢（新生代老年代也有该问题）,虚拟机采用Remember Set来避免全表扫描。每个region维护一个Remember Set，在对引用类型进行写操作时，会发生写中断，此时检查该引用的对象是否在别的Region中，若是，则将该信息写入他自己所属Region的RememberSet中。以便在对某一个Region进行可达性分析是不需要全表扫描。

STEP

a.初始标记：仅标记GCRoot是直接引用

b.并发标记：并发的标记所有不在引用链上的引用

c.最终标记：在并发标记阶段新产生的对象会写入Remember set log中，在该阶段将Remember Set log中的数据更新进Remember set中，进行标记。

d.筛选回收：！！！不是并发的，对Region的价值进行排序，并根据用户希望的GC停顿时间制定回收计划，由于只回收一个Region，速度也很快，就没有采取并发。

6、堆内存划分与对象分配

从前面已经知道了，我们根绝对象生存时间的长短不一这一特征，将堆划分为年轻代和年老代。这里进一步了解年轻代内部划分，以及分配对象时区域之间是如何协助的，从而进一步能够知道GC触发的时间。

1）年轻代的划分与基本工作机制

年轻代一般采用复制算法，将年轻代划分为Eden区与FromSurvivor、ToSurvivor。分配对象时，首先分配到Eden与FromSurvivor区中，然后将可达的对象复制到ToSurvivor区中，注意此时将这些对象的年龄+1，并清除Eden+FromS中的无用对象。然后再将FromS变为ToS，ToS变为FromS，（也省去了将To中的对象复制给From中这一步骤）以便下一次的对象回收。

2）对象分配的机制

a. 一般对象首先分配给Eden区，若空间不足则会触发MinorGC。

b. 大对象会直接分配到年老代，若空间不足触发FullGC。

c. 对象在几个情况下将从年轻代进入年老代：

        c1:对象年龄到了（默认为15，在复制过程中年龄增加，因为可达而熬过了一次GC嘛）可通过-XX:MaxTenuringThreshole设置进入年老代的年龄。

        c2:动态对象年龄判断：当年轻代中同一年龄的对象所占存储空间之和大于Survivor的一半时（占满了toSurvivor？），将大于等于该年龄的对象都放入年老代

        c3:空间分配担保：年轻代采用复制算法，就需要有空间在survivor区装不下存活对象的时候帮忙存储多出来的对象（一般发生于一次MinorGC之前，存活对象过多导致survivor放不下了），年老代即为空间分配担保的空间。发生空间分配担保时，会进入老年代。

3）空间分配担保机制

年老代进行空间分配担保是有风险的，若担保过来的对象超过了剩余空间，那么年老代会发生FullGC。

所以在发生MinorGC之前，虚拟机会判断新生代所有对象总空间（！！一次保障性的对比，若成立则其子集肯定成立）是否小于年老代最大连续空间大小，若小于，则担保成功，认为这次MinorGC是安全的，执行GC。若大于，则要判断年老代是否开启HandlePromotionFailure（是否允许空间分配担保），若没开启，则直接执行FullGC。若开启了，则判断以往平均担保大小是否小于最大连续空间大小，若小于，则尝试MinorGC（有风险，失败了再FullGC，多一次MinorGC），若大于，则FullGC（包括MinorGC）。

4）总结一下GC触发条件与设置 

MinGC：当Eden区不够时，可设置-XX:SurvivorRatio设置年轻代中Eden的比例，-XX:NewRatio设置堆中年轻代比例，-Xms  -Xmx设置堆最小最大值。

FullGC：a.System.gc()

                b.永久代，类、静态变量，常量太多，不够放  -XX:MaxPermSize

                c.老年代：c1大对象直接进入时不够 c2空间分配担保，MinorGC前，不愿意担保直接FullGC，愿意担保且空间小于之前担保平均值FullGC，若大于但担保失败了（这次太多了）先MinorGC（发现不行）再FullGC。

                d,CMS回收器：只针对老年代收集，浮动垃圾过多，当超过设置的比例大小时（因为用户线程也有空间），会FullGC。设置老年代空间使用比例

-XX:CMSInitialingOccupationFraction，到达这么多时FullGC

7.JVM调优

目前了解的调优方式：

1）频繁GC时，要使用JDK一些工具排查问题具体位置。

jstat：虚拟机各方面的运行数据  jmap：生成内存转储快照  一般通过这两个就能定位堆中的问题，判断是空间设置不合理还是程序问题。

跟着GC出发点走，调整各个区域大小-Xms -Xmx -XNewRatio -XX:SurvivorRatio  -XX:permSize，以及年老代相关的 maxTenuringTreshold，handlePromotionFailure（一般设为true，以减少FullGC，给MinorGC机会嘛）

2）性能问题，要根据需求选择合适的垃圾回收器，以停顿时间为目标还是以吞吐量为目标