细说JVM（垃圾收集器与内存分配）

一、基础性的概念

1、Minor GC 和 Full GC

• 新生代GC（Minor GC）：指发生在新生代的垃圾收集动作，因为Java对象大多都具备朝生夕灭的特性，所以Minor GC非常频繁，一般回收速度也比较快。

• 老年代GC（Major GC / Full GC）：指发生在老年代的GC，出现了Major GC，经常会伴随至少一次的Minor GC（但非绝对的，在Parallel Scavenge收集器的收集策略里就有直接进行Major GC的策略选择过程）。Major GC的速度一般会比Minor GC慢10倍以上。

2、并发和并行

这两个名词都是并发编程中的概念，在谈论垃圾收集器的上下文语境中，它们可以解释如下。

• 并行（Parallel）：指多条垃圾收集线程并行工作，但此时用户线程仍然处于等待状态。

• 并发（Concurrent）：指用户线程与垃圾收集线程同时执行（但不一定是并行的，可能会交替执行），用户程序在继续运行，而垃圾收集程序运行于另一个CPU上。

3、吞吐量

吞吐量就是CPU用于运行用户代码的时间与CPU总消耗时间的比值，即吞吐量 = 运行用户代码时间 /（运行用户代码时间 + 垃圾收集时间）。
虚拟机总共运行了100分钟，其中垃圾收集花掉1分钟，那吞吐量就是99%。

二、垃圾收集器

我发现有很多垃圾收集器总结的非常好的博客，感觉自己再照着书上写一遍也没有什么意义，这里就放几个链接，我发现的比较好的对于垃圾收集器整理的很完善的文章：

• 深入理解JVM(3)——7种垃圾收集器
• JVM垃圾回收机制(3)--垃圾收集器
• 深入理解JVM（5） : Java垃圾收集器

上面的三篇文章中对于垃圾收集器做了很系统的整理，我这里再补充一个表格，是常用垃圾收集器组合的表格：

	新生代GC	老年代GC	说明
组合一	Serial	Serial Old	Serial和Serial Old都是单线程进行GC，特点就是GC时暂停所有应用线程。
组合二	Serial	CMS+Serial Old	CMS（Concurrent Mark Sweep）是并发GC，实现GC线程和应用线程并发工作，不需要暂停所有应用线程。另外，当CMS进行GC失败时，会自动使用Serial Old策略进行GC。
组合三	ParNew	CMS	使用-XX:+UseParNewGC选项来开启。ParNew是Serial的并行版本，可以指定GC线程数，默认GC线程数为CPU的数量。可以使用-XX:ParallelGCThreads选项指定GC的线程数。如果指定了选项-XX:+UseConcMarkSweepGC选项，则新生代默认使用ParNew GC策略。
组合四	ParNew	Serial Old	使用-XX:+UseParNewGC选项来开启。新生代使用ParNew GC策略，年老代默认使用Serial Old GC策略。
组合五	Parallel Scavenge	Serial Old	Parallel Scavenge策略主要是关注一个可控的吞吐量：应用程序运行时间 / (应用程序运行时间 + GC时间)，可见这会使得CPU的利用率尽可能的高，适用于后台持久运行的应用程序，而不适用于交互较多的应用程序。
组合六	Parallel Scavenge	Parallel Old	Parallel Old是Serial Old的并行版本
组合七	G1GC	G1GC	-XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseG1GC（开启）XX:MaxGCPauseMillis =50（暂停时间目标）-XX:GCPauseIntervalMillis =200（暂停间隔目标）-XX:+G1YoungGenSize=512m（新生代大小）-XX:SurvivorRatio=6（Eden区和Survivor区的比例）

最后在补充一篇文章：
JVM 垃圾回收器工作原理及使用实例介绍

三、内存分配与回收策略

1、对象优先在Eden区分配

大多数情况下，对象在新生代的Eden区中分配。当Eden区没有足够空间进行分配时，虚拟机将发起一次Minor GC。

2、大对象直接进入老年代

所谓的大对象是指，需要大量连续内存空间的Java对象，最典型的大对象就是那种很长的字符串以及数组。

大对象对虚拟机的内存分配来说就是一个坏消息（比遇到一个大对象更加坏的消息就是遇到一群“朝生夕灭”的“短命大对象”，写程序的时候应当避免），经常出现大对象容易导致内存还有不少空间时就提前触发垃圾收集以获取足够的连续空间来“安置”它们。

虚拟机提供了一个-XX:PretenureSizeThreshold参数，令大于这个设置值的对象直接在老年代分配。这样做的目的是避免在Eden区及两个Survivor区之间发生大量的内存复制。

注意:PretenureSizeThreshold参数只对Serial和ParNew两款收集器有效，Parallel Scavenge收集器不认识这个参数，Parallel Scavenge收集器一般并不需要设置。如果遇到必须使用此参数的场合，可以考虑ParNew加CMS的收集器组合。

上面都是书上的内容，并且书上给出了一个例子：

private static final int _1MB = 1024 * 1024;   
/**  
* VM参数：-verbose:gc（和-XX:+PrintGC具有同样的作用） -Xms20M -Xmx20M -Xmn10M -XX:+PrintGCDetails -XX:SurvivorRatio=8 
* -XX:PretenureSizeThreshold=3145728 
*/  
public static void testPretenureSizeThreshold() {  
    byte[] allocation;  
    allocation = new byte[4 * _1MB];  //直接分配在老年代中  
}

运行结果：

Heap  
    def new generation   total 9216K, used 671K [0x029d0000, 0x033d0000, 0x033d0000)  
    eden space 8192K,   8% used [0x029d0000, 0x02a77e98, 0x031d0000)  
    from space 1024K,   0% used [0x031d0000, 0x031d0000, 0x032d0000)  
    to   space 1024K,   0% used [0x032d0000, 0x032d0000, 0x033d0000)  
    tenured generation   total 10240K, used 4096K [0x033d0000, 0x03dd0000, 0x03dd0000)  
    the space 10240K,  40% used [0x033d0000, 0x037d0010, 0x037d0200, 0x03dd0000)  
    compacting perm gen  total 12288K, used 2107K [0x03dd0000, 0x049d0000, 0x07dd0000)  
    the space 12288K,  17% used [0x03dd0000, 0x03fdefd0, 0x03fdf000, 0x049d0000)  
    No shared spaces configured.

书中给出的解释：
执行代码中的testPretenureSizeThreshold()方法后，我们看到Eden空间几乎没有被使用，而老年代的10MB空间被使用了40%，也就是4MB的allocation对象直接就分配在老年代中，这是因为PretenureSizeThreshold被设置为3MB（就是3145728，这个参数不能像-Xmx之类的参数一样直接写3MB），因此超过3MB的对象都会直接在老年代进行分配。

我的一个疑问：
我发现-XX:PretenureSizeThreshold这个参数并没有默认值，那么如果不设置这个参数，虚拟机会如何做？
我经过查找发现了一篇解决我的疑问的文章：jvm对大对象分配内存的特殊处理
原来如果不设置-XX:PretenureSizeThreshold参数的话，当对象大小大于Eden区的时候会直接扔到老年代。我自己也做了一些实验，发现确实是这样。

3、长期存活的对象将进入老年代

既然虚拟机采用了分代收集的思想来管理内存，那么内存回收时就必须能识别哪些对象应放在新生代，哪些对象应放在老年代中。为了做到这点，虚拟机给每个对象定义了一个对象年龄（Age）计数器。如果对象在Eden出生并经过第一次Minor GC后仍然存活，并且能被Survivor容纳的话，将被移动到Survivor空间中，并且对象年龄设为1。对象在Survivor区中每“熬过”一次Minor GC，年龄就增加1岁，当它的年龄增加到一定程度（默认为15岁），就将会被晋升到老年代中。对象晋升老年代的年龄阈值，可以通过参数-XX:MaxTenuringThreshold设置。

4、动态对象年龄判定

为了能更好地适应不同程序的内存状况，虚拟机并不是永远地要求对象的年龄必须达到了MaxTenuringThreshold才能晋升老年代，如果在Survivor空间中相同年龄所有对象大小的总和大于Survivor空间的一半，年龄大于或等于该年龄的对象就可以直接进入老年代，无须等到MaxTenuringThreshold中要求的年龄。

5、空间分配担保

在发生Minor GC之前，虚拟机会先检查老年代最大可用的连续空间是否大于新生代所有对象总空间，如果这个条件成立，那么Minor GC可以确保是安全的。如果不成立，则虚拟机会查看HandlePromotionFailure设置值是否允许担保失败。如果允许，那么会继续检查老年代最大可用的连续空间是否大于历次晋升到老年代对象的平均大小，如果大于，将尝试着进行一次Minor GC，尽管这次Minor GC是有风险的；如果小于，或者HandlePromotionFailure设置不允许冒险，那这时也要改为进行一次Full GC。

前面提到过，新生代使用复制收集算法，但为了内存利用率，只使用其中一个Survivor空间来作为轮换备份，因此当出现大量对象在Minor GC后仍然存活的情况（最极端的情况就是内存回收后新生代中所有对象都存活），就需要老年代进行分配担保，把Survivor无法容纳的对象直接进入老年代。与生活中的贷款担保类似，老年代要进行这样的担保，前提是老年代本身还有容纳这些对象的剩余空间，一共有多少对象会活下来在实际完成内存回收之前是无法明确知道的，所以只好取之前每一次回收晋升到老年代对象容量的平均大小值作为经验值，与老年代的剩余空间进行比较，决定是否进行Full GC来让老年代腾出更多空间。

取平均值进行比较其实仍然是一种动态概率的手段，也就是说，如果某次Minor GC存活后的对象突增，远远高于平均值的话，依然会导致担保失败（Handle Promotion Failure）。如果出现了HandlePromotionFailure失败，那就只好在失败后重新发起一次Full GC。虽然担保失败时绕的圈子是最大的，但大部分情况下都还是会将HandlePromotionFailure开关打开，避免Full GC过于频繁。
注意：在JDK 6 Update 24版本之后，HandlePromotionFailure参数就没有作用了，因为规则变为了：只要老年代的连续空间大于新生代对象的总大小或者历次晋升的对象的平均大小，就进行Minor GC 否则进行Full GC。