【淺度渣文】JVM——簡述垃圾回收

我是賣報滴小行家?發表於2019-01-08
JVM

原文連結：http://www.dubby.cn/detail.html?id=9062

垃圾回收的簡單描述

什麼是自動垃圾收集？

自動垃圾收集是檢視堆記憶體的過程，可以識別哪些物件正在使用，哪些不是，以及刪除未使用的物件。一個正在使用的物件或一個被引用的物件，意味著你的程式的某個部分仍然保持著一個指向這個物件的指標。未使用的物件或未引用的物件不再被程式的任何部分引用。所以未被引用的物件所使用的記憶體可以被回收。

在像C這樣的程式語言中，分配和釋放記憶體是一個手動過程。在Java中，釋放記憶體的過程由垃圾收集器自動處理。基本過程可以描述如下。

第1步：標記

這個過程的第一步就是標記。這是垃圾收集器標記記憶體中哪些物件正在被使用，哪些物件已經沒有被使用。

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有用的物件顯示為藍色，沒有用的物件顯示為黃色。在標記階段掃描所有物件，然後做出這個決定。如果必須掃描系統中的所有物件，這可能是非常耗時的過程。

第2步：普通刪除

記憶體維護著一個空閒記憶體列表，每次分配空間時，會來這個列表上找到合適的空間分配。正常刪除時，會把沒有用到的物件的記憶體空間還給空閒列表。

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另一種第2步：刪除並壓縮

為了進一步提高效能，除了刪除未引用的物件之外，還可以壓縮剩餘的引用物件。 通過移動被引用的物件，這使得新的記憶體分配變得更容易和更快。

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為什麼使用分代垃圾收集？

如前所述，標記和壓縮JVM中的所有物件效率不高。 隨著越來越多的物件被分配，物件列表的增長和增長導致更長和更長的垃圾收集時間。 然而，應用程式的實證分析表明，大多數物件是短暫的。

這裡給個資料的例子。

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正如你所看到的，隨著時間的推移物件保持存活的越來越少。 實際上，大多數物件的壽命都很短，如圖左側較高的值所示。

JVM 的分代

根據上面的物件的行為特性，我們可以總結出一個更好的方式來提高JVM垃圾回收的效率。所以，就把堆記憶體分成幾種代，新生代，老年代，永久代（Java8之後就沒有永久代了，取而代之的是後設資料Metaspace）。

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一個新的物件會被分配在新生代上，並且新的物件會在新生代裡慢慢變老。當新生代的空間被佔滿後，就會觸發一次minor gc。假設新生代裡的物件死亡率很高的話，那麼新生代的垃圾回收就是很優的。一個充滿死亡物件的新生代收集起來其實很快。倖存下來的物件會慢慢變老，直到可以移入老年代。

Stop the World Event——所有的新生代手機都是停止世界的事件。Stop the World Event的意思是，所有的應用程式的執行緒都會被暫停，直到垃圾回收完成。新生代GC總是Stop the World。

老年代是存放那些經歷了多次minor gc，年紀達到一個閾值之後的存活的物件。一般來說，會給物件設定一個年齡閾值，達到閾值之後，就會移入老年代。最後，老年代需要進行垃圾回收，就會觸發一次major gc。

Major gc也是導致Stop the World。在大部分情況下，major gc是會比minor gc慢很多。所以，對於一個關注響應時間的應用來說，應該儘可能的降低major gc的次數。這裡也要注意到，major gc的停頓時間（Stop the World的時間）是和你選取的垃圾收集器有關的。

永久代包含了JVM所需要的class和method的定義等後設資料。永久代會隨著JVM執行時載入的class而填充新的後設資料。除此之外，Java SE的類庫也會被儲存在這裡。

如果JVM檢測到這部分class不會被使用了，而且需要更多的記憶體空間來載入其他的class，那麼class也會被回收（unloaded/解除安裝）。這個收集包含在一次full gc中。（即便是在Java8之後，沒有了所謂了永久代，取而代之的是後設資料，但是，也會存在型別解除安裝的回收）

分代垃圾回收

現在你已經明白了為什麼需要把堆細分成不同的幾個代，現在是時候仔細的看看這種空間是如何工作的了。下面的圖演示了在JVM中，物件的分配和變老的過程。

1.首先，任何物件都會被分配在eden區。兩個suvivor區一開始都是空的。

這裡是為了給讀者介紹垃圾回收器的設計過程，和一步步的思考過程，在之後還是會有很多優化，可能會和一開始的設計意圖相違背，請見諒。比如，有的物件甚至不分配到堆裡（逃逸分析），有的大物件甚至會直接分配到old區（大物件分配），有的物件甚至會分配到堆外記憶體（nio等），等等各種特殊情況。

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2.當eden滿了之後，就會觸發一次minor gc。

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3.活著的物件會被移到第一個suvovor區（第一個第二個都是相對的）。沒有被是用的物件就直接被清除了。

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4.下一次minor gc發生時，同樣的操作。沒有被使用的物件被清除，活著的物件和被移到另一個suvivor區。而且，這些物件年齡會+1，然後被移入第二個suvivor。所有的活著的物件都被移入這個新的suvivor1，那麼eden和suvivor0又都空了。但是，現在在suvivor1中，物件的年齡是不一樣的。

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5.下一次minor gc，又會重複上面的步驟。不過物件是從eden和suvicor1移入到suvivor0中了。

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6.終於，隨便不斷的minor gc，物件的年齡越來越大，達到了閾值（這裡是8）時，他們會晉升帶老年代。

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7.隨著更多的minor gc，也有更多的物件晉升到老年代。

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8.上面已經涵蓋了新生代的整個過程。最後，老年代需要進行一次major gc來清除，壓縮老年代的空間。

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執行並觀察

上面說了那麼多，相信機智的讀者已經大致瞭解垃圾回收的過程了。現在讓我們親眼看一看這個執行過程。這一部分，我們會執行一個Java應用程式，然後使用Visual VM分析回收的過程。Visual VM是JDK提供給我們的一個工具，開發者可以使用這個工具對JVM進行各個方面的監視。

1. 你需要先去Oracle官網下載JavaDemo。

2.啟動示例程式碼

確保你的電腦已經安裝了JDK，並下載了上一步說的demo。然後解壓到本地一個目錄下。我的目錄是/Users/teeyoung/Desktop/code4me/javademos8。

然後執行Java2demo.jar，java -Xmx120m -Xms30m -Xmn10m -XX:PermSize=20m -XX:MaxPermSize=20m -XX:+UseSerialGC -jar Java2Demo.jar

注意：1.這些命令稍後會解釋；2.-XX:PermSize=20m -XX:MaxPermSize=20m如果是在Java 8之後是提示無效，以為已經被移除了。

程式執行起來是這個樣子：

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你可以看到很多tab，那些演示了Java的繪圖功能（看到這個程式，讓我想到了買家秀和賣家秀，別人寫的程式碼和我寫的程式碼）。

隨意點選各個tab，大致是這樣的：

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這個介面可以看到垃圾回收行為的結果，看右下角的記憶體監視。我們先讓他執行著，我們稍後會用到它的。

3.啟動VisualVM

如果你的jdk/bin已經在你的path下了，那麼直接執行jvisualvm，否則需要輸入完整的路徑，如：/usr/bin/jvisualvm。

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4.安裝Visual GC外掛

我們需要安裝Visual GC這個外掛，但是java.net這個站點都關了，無法聯網安裝，所以我寫了另一篇文章演示如何安裝外掛。請移步jvisualvm外掛安裝的正確姿勢（解決網路問題）：http://www.dubby.cn/detail.html?id=9061。

安裝之後就是這個樣子：

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5.分析Java2Demo

首先雙擊Java2Demo這個本地程式，或者右擊->Open：

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然後點選Visual GC這個tab：

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然後就自由嘗試各個tab頁，看看每個資訊代表JVM的什麼指標。還有，你可以嘗試著改變Java2Demo上的string和image的數量，看看對垃圾回收有什麼影響。

Java垃圾收集器

現在你知道了垃圾回收的基本概念，還有如何去監視JVM的垃圾回收。現在我們來了解Java給我們提供的不同的垃圾回收器，還有我們需要掌握如何使用這些垃圾回收器的命令列。

通用的命令列

這裡給出一些通用的命令列，不管你是什麼收集器，都會用到的。

選項 描述
-Xms 設定JVM啟動時，堆的初始大小
-Xmx 設定堆的最大的容量
-Xmn 設定新生代的容量
-XX:PermSize 設定永久代的初始大小（Java 8以廢棄）
-XX:MaxPermSize 設定永久代的最大容量（Java 8以廢棄）
-XX:MinHeapFreeRatio 設定堆最小空閒容量，低於這個閾值就擴容，但是堆總量還是要在Xmx和Xms之間
-XX:MaxHeapFreeRatio 設定堆最大空閒容量，高於這個閾值就收縮，但是堆總量還是要在Xmx和Xms之間

Serial收集器

Serial收集器是客戶端預設的收集器。使用Serial收集器，minor gc和major gc都是單執行緒處理。而且，老年代使用併發-壓縮演算法。把老年代的活著的物件移到老年代的前面，後面空出空閒區域，以供後續分配，可以避免空間碎片。

使用場景

Serial收集器是一些客戶端（PC，不是伺服器）應用使用，而且對於低延時要求不高的。他的優勢是單執行緒處理。直到今天，對於一些不是很重要，堆記憶體只有幾百MB的應用來說，Serial GC依然是個很有效的垃圾收集器。

還有一個廣泛使用Serial收集器的場景是，一個機器上執行著很多JVM（在某些場景下，JVM的數量比處理器的核數還要多）。在這種情況，使用Serial收集器可以減少JVM之間衝突，即便GC的時間變長了。

最後，隨著嵌入式裝置的普及，記憶體少，核數少，Serial收集器可能會重新綻放光彩。

命令列選項

開始Serial收集器：

-XX:+UseSerialGC
複製程式碼

給個完整的例子：

java -Xmx12m -Xms3m -Xmn1m -XX:PermSize=20m -XX:MaxPermSize=20m -XX:+UseSerialGC -jar Java2demo.jar
複製程式碼

Parallel收集器

Parallel收集器在回收新生代時，使用多執行緒進行收集。預設的回收執行緒數等於機器的核數。可以使用-XX:ParallelGCThreads=<desired number>來設定希望的執行緒數。

在只有一個CPU的機器上，即便你已經開啟了Parallel收集器，JVM還是會使用預設的收集器來工作。

使用場景

Parallel收集器也被稱為吞吐收集器。因為他可以利用多執行緒來加快應用的吞吐。這個收集器一般被用作有很多工作需要做，而且對低延要求時不那麼高的應用。例如，批處理（報表，賬單，或者是很大的資料庫查詢等）。

-XX:+UseParallelGC

這個命令列選項是開啟新生代的多執行緒收集，老年代的多執行緒收集。老年代也是整理方式。

給個完整的例子：

java -Xmx12m -Xms3m -Xmn1m -XX:PermSize=20m -XX:MaxPermSize=20m -XX:+UseParallelGC -jar Java2demo.jar
複製程式碼

-XX:+UseParallelOldGC

這個選項是開啟新生代的多執行緒收集，老年代的多執行緒收集。老年代也是整理方式。

整理：就是會把活著的物件移到記憶體的前面，這樣就物件和物件之間的小的空閒的空間（記憶體碎片）。記憶體碎片可能導致，空閒空間足夠，但是大物件無法分配的情況。

完整的例子：

java -Xmx12m -Xms3m -Xmn1m -XX:PermSize=20m -XX:MaxPermSize=20m -XX:+UseParallelOldGC -jar Java2demo.jar
複製程式碼

CMS收集器

併發(Concurrent)標記(Mark)清除(Sweep)收集器（CMS）（也被叫做：併發低延時收集器）是一個手機老年代的垃圾收集器。他試圖把大部分垃圾收集工作和應用程式的執行緒併發執行，以降低所造成的停頓（Stop the World）時間。通常情況下，CMS不會壓縮整理活著物件。所以，會存在記憶體碎片的問題。如果記憶體碎片成為你的問題，那麼可以考慮換用更大的堆（哈哈，也可以考慮換收集器，但是，換更大的堆是直接並且簡單的方法）。

注意：CMS收集器在新生代的收集方式和Parallel在新生代的收集方式一樣（單執行緒，複製）。

使用場景

CMS適用對低延時有高要求的應用。比如，響應事件的桌面應用，響應請求的Web伺服器，或者響應查詢的資料庫。

命令列選項

開啟命令：

-XX:+UseConcMarkSweepGC
複製程式碼

設定執行緒數：

-XX:ParallelCMSThreads=<n>
複製程式碼

這裡給個完整的例子：

java -Xmx12m -Xms3m -Xmn1m -XX:PermSize=20m -XX:MaxPermSize=20m -XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:ParallelCMSThreads=2 -jar Java2demo.jar
複製程式碼

G1收集器

具體的可以檢視【淺度渣文】JVM——G1收集器:http://www.dubby.cn/detail.html?id=9059

這裡簡單描述一下吧，G1在Java 7才出現的，是一個併發的，低延時的，整理收集器。對堆記憶體管理和之前的收集器都不一樣。

命令列選項

開啟命令：

-XX:+UseG1GC
複製程式碼

完整的例子：

java -Xmx12m -Xms3m -XX:+UseG1GC -jar Java2demo.jar
複製程式碼

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