GC基础知识

2023-10-12 15:50:10

1.什么是垃圾

没有任何引用指向的一个对象或者多个对象（循环引用）

2.如何定位垃圾

  1. 引用计数（ReferenceCount）

    就是对每个对象都追踪指向它们的引用数，如果引用数为0，就说明这个对象是内存垃圾了。但是这个方法存在缺陷，如果多个对象之间存在循环引用，但是这些对象没有被外部引用，这些对象实质上也是垃圾，但是没有办法被标记

  2. 根可达算法(RootSearching)，jvm采用的是这种

    指从根对象开始扫描，所有可以被扫到的对象都被标记为存活对象，而扫不到的对象就是垃圾对象。对扫到的对象一般是在该对象的header中打上一个标识，表示当前对象还是存活对象。

    那么什么是根对象呢？主要由下面四种对象构成：

    • main方法的栈帧中的对象
    • class文件中的静态变量
    • 常量池中的对象
    • JNI用到的对象

3.常见的垃圾回收算法

  1. 标记清除(mark sweep)

    GC基础知识

    • 执行流程：标记阶段，从根对象开始进行遍历，对根对象可以访问到的对象都打上一个标识，一般在对象头中，将其记录为可达对象；在清除阶段对堆内存从头到尾进行遍历，如果发现某个对象没有标记为可达对象（通过读取对象头信息）则就将其回收
    • 优点：算法简单，存活对象比较多的时候效率较高，适合old区
    • 缺点：位置不连续容易产生碎片，两遍扫描效率偏低

  2. 拷贝算法 (copying)

    GC基础知识

    • 执行流程：从根对象开始进行遍历，对根对象可以访问到对象移动到一个专门的内存区域（java中叫s0、s1），然后回收这块内存区域之外的其他内存区域
    • 优点：没有碎片，只扫描一次效率提高，适合存活对象较少的情况，比如年轻代
    • 缺点：浪费空间，移动复制对象需要调整对象引用

  3. 标记-整理(mark compact)

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    • 执行流程：标记阶段，从根对象开始进行遍历，对根对象可以访问到的对象都打上一个标识，一般在对象头中，将其记录为可达对象；整理阶段，遍历整个堆，将存活对象全部向一端移动，然后直接清理掉边界以外的内存

    • 优点：不会产生碎片方便对象分配，不会存在内存减半问题，适合old区

    • 缺点：扫描2次，需要移动对象，效率偏低

4.JVM内存分代模型

  1. 内存分代模型

GC基础知识

  1. GC概念

GC基础知识

  • MinorGC/YGC：年轻代空间耗尽时触发

  • MajorGC/FGC：在老年代无法继续分配空间时触发，新生代老年代同时进行回收

  1. 部分垃圾回收器使用的模型

    除Epsilon、ZGC、Shenandoah之外的GC都是使用逻辑分代模型

    G1是逻辑分代，物理不分代

    除此之外其他垃圾回收器不仅逻辑分代，而且物理分代

  2. 新生代 + 老年代 + 永久代（1.7）Perm Generation/ 元数据区(1.8) Metaspace

    永久代 元数据 - Class

    永久代必须指定大小限制 ，元数据可以设置，也可以不设置，无上限（受限于物理内存）

    字符串常量 1.7 - 永久代，1.8 - 堆

    MethodArea逻辑概念 - 永久代、元数据具体实现

    https://blog.csdn.net/qq_27062249/article/details/116952519

  3. 新生代 = Eden + 2个suvivor区

    YGC回收之后，大多数的对象会被回收，活着的进入s0

    再次YGC，活着的对象eden + s0 -> s1

    再次YGC，eden + s1 -> s0

    年龄足够 -> 老年代 （年龄限制XX:MaxTenuringThreshold ：其他垃圾回收器15，CMS 6）

    s区装不下 -> 老年代

  4. 老年代

    顽固分子

    老年代满了FGC Full GC

  5. GC Tuning (Generation)

    尽量减少FGC

    MinorGC = YGC

    MajorGC = FGC

  6. 栈上分配

    1. 什么是栈上分配：对象在栈上分配而不是堆
    2. 栈生分配优点：不需要GC介入去回收这个对象，出栈即释放资源，可以提高性能
    3. 哪些对象可以在栈上分配：线程私有小对象、无逃逸、支持标量替换
    4. 如何开启栈上分配：jvm默认支持，可以通过 -XX:-DoEscapeAnalysis关闭逃逸分析， -XX:-EliminateAllocations关闭标量替换，从而关闭栈上分配，一般情况下无需调整

  7. 线程本地分配TLAB（Thread Local Allocation Buffer）

    1. 什么是本地分配：JVM为每一个线程在初始化时先单独分配一块Buffer，该空间是线程私有的，当线程执行时需要为对象分配内存时，就是用自己的Buffer空间分配，这样就解决了多线程因共用同一JVM堆空间而产生的同步操作冲突问题。TLAB使用的堆内存空间其实还是eden区，默认1%
    2. 本地分配优点：多线程的时候不用竞争eden就可以申请内存,提高效率
    3. 如何开启本地分配：默认开启，可以通过-XX:-UseTLAB来关闭TLAB，一般情况下无需调整

  8. 动态年龄

    1. 年龄从小到大进行累加，当加入某个年龄段后，累加和超过survivor区域*TargetSurvivorRatio的时候，就从这个年龄段往上的年龄的对象进行晋升。比如年龄1的占用了33%，年龄2的占用了33%，累加和超过默认的TargetSurvivorRatio（50%），年龄2和年龄3的对象都要晋升。

    2. -XX:TargetSurvivorRatio这个参数来控制，默认为50%

    3. https://www.jianshu.com/p/989d3b06a49d

  9. 分配担保

    1. YGC期间 survivor区空间不够了，空间担保直接进入老年代（当在新生代无法分配内存的时候，把新生代的对象转移到老生代，然后把新对象放入腾空的新生代。）
    2. https://cloud.tencent.com/developer/article/1082730

  10. 对象何时进入老年代

    1. 超过-XX:MaxTenuringThreshold指定次数（YGC），Parallel Scavenge 15，CMS 6，G1 15

    2. 动态年龄 s1->s2超过50%

  11. 对象分配过程图

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new一个对象，先进行线程栈上分配判断，如果能进行则进入栈上分配，然后结束

如果无法进行栈上分配则判断是否是大对象，如果是大对象则直接进入老年代分配，然后结束

如果不是大对象则进行TLAB判断，不过是否TLAB都是在eden区进行分配

然后执行gc，判断对象是否存活，没有存活则结束；如果对象存活则进入s1；再次执行gc再次判断对象是否存活，如果存活判断年龄是否大于指定参数，如果大于指定配置则进入老年代（cms 6，其他 15）；如果年龄小于指定参数则进入s2；然后反复此步骤直接到结束

5. 垃圾回收器类型

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红色虚线表示常见组合

  1. JDK诞生 Serial追随；为了提高效率诞生了PS；为了配合CMS诞生了PN，CMS是1.4版本后期引入，CMS是里程碑式的GC，它开启了并发回收的过程，但是CMS毛病较多，因此目前任何一个JDK版本默认是CMS；并发垃圾回收是因为无法忍受STW

  2. Serial，用于年轻代，会有STW，采用复制算法，使用单线程进行GC也就是串行回收（黄色箭头表示GC）

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  1. Parallel Scavenge（PS），用于年轻代，会有STW，采用复制算法，使用多线程进行GC也就是并行回收（黄色箭头表示GC）

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  2. ParNew ，用于年轻代，会有STW，采用复制算法，使用多线程进行GC也就是并行回收（黄色箭头表示GC），与PS不同的是有增强功能配合CMS，例如它可以在CMS的并发阶段运行ParNew执行所需的同步

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  1. SerialOld ，用于老年代，会有STW，采用标记-清除-压缩（Mark-Sweep-Compat，多次GC后才压缩是标记清除和标记压缩的结合。但不算在GC四大算法中），使用单线程进行GC也就是串行回收（黄色箭头表示GC）

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  1. ParallelOld，用于老年代，会有STW，采用标记整理算法，使用多线程进行GC也就是并行回收（黄色箭头表示GC）

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  1. ConcurrentMarkSwee,用于老年代，并发执行，垃圾回收和应用程序同时运行，降低STW的时间(200ms)。CMS问题比较多，所以现在没有一个版本默认是CMS，只能手工指定。CMS既然是MarkSweep，就一定会有碎片化的问题，碎片到达一定程度，CMS的老年代分配对象分配不下的时候，使用SerialOld 进行老年代回收。算法采用三色标记 + Incremental Update

  2. G1，设计目标在10ms内，算法采用三色标记 + SATB

  3. ZGC ，设计目标在1ms内，算法采用ColoredPointers + LoadBarrier

  4. Shenandoah，算法ColoredPointers + WriteBarrie

  5. Eplison，debug用的，不会做什么事的GC

  6. PS 和 PN区别：https://docs.oracle.com/en/java/javase/13/gctuning/ergonomics.html

  7. 垃圾收集器跟内存大小的关系：

    Serial 几十兆

    PS 上百兆 - 几个G

    CMS - 20G

    G1 - 上百G

    ZGC - 4T - 16T（JDK13）

  8. 1.8默认的垃圾回收：PS + ParallelOld

5. 常见垃圾回收器组合参数设定：(1.8)

  • -XX:+UseSerialGC = Serial New (DefNew) + Serial Old

    适用于小型程序。默认情况下不会是这种选项，HotSpot会根据计算及配置和JDK版本自动选择收集器

  • -XX:+UseParNewGC = ParNew + SerialOld

    这个组合已经很少用（在某些版本中已经废弃）

    https://*.com/questions/34962257/why-remove-support-for-parnewserialold-anddefnewcms-in-the-future

  • -XX:+UseConc(urrent)MarkSweepGC = ParNew + CMS + Serial Old

  • -XX:+UseParallelGC = Parallel Scavenge + Parallel Old (1.8默认) 【PS + SerialOld】

  • -XX:+UseParallelOldGC = Parallel Scavenge + Parallel Old

  • -XX:+UseG1GC = G1

  • Linux中没找到默认GC的查看方法，而windows中会打印UseParallelGC

    java +XX:+PrintCommandLineFlags -version

    通过GC的日志来分辨

  • Linux下1.8版本默认的垃圾回收器到底是什么？

    1.8.0_181 默认（看不出来）Copy MarkCompact

    1.8.0_222 默认 PS + PO

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