垃圾收集器與內存分配策略參考目錄：

1.判斷Java 對象是否死亡

2.Java 中的四種引用

3.垃圾收集算法

4.內存分配與回收策略

在經過了幾次跳票之后，Java 9終于在原計劃日期的整整一年之后發布了正式版。Java 9引入了很多新的特性，除了閃瞎眼的Module System和REPL，最重要的變化我認為是默認GC（Garbage Collector）修改為新一代更復雜、更全面、性能更好的G1（Garbage-First）。JDK的維護者在GC選擇上一直是比較保守的，G1從JDK 1.6時代就開始進入開發者的視野，直到今天正式成為Hotspot的默認GC，也是走了很長的路。

本文將主要講解GC調優需要知道的一些基礎知識，會涉及到一些GC的實現細節，但不會對實現細節做很全面的闡述，如果你看完本文之后，能對GC有一個大致的認識，那本文的寫作目的也就達到了。由于在這次寫作過程中，恰逢Java 9正式版發布，之前都是依賴Java 8的文檔寫的，如果有不正確的地方還望指正。本文將包含以下內容：

GC的作用范圍

GC負責的事情

JVM中的4種GC

G1的一些細節

使用Java 9正式版對G1進行測試

一些簡單的GC調優方法

一、GC的作用范圍

要談GC的作用范圍，首先要談JVM的內存結構，JVM內存中主要有以下幾個區域：堆、方法區（JVM規范中的叫法，Hotspot大致對應的是Metaspace）、棧、本地方法棧、PC等，其中GC主要作用在堆上，如下圖所示：

JVM內存結構

其中堆和方法區是所有線程共享的，其他則為線程獨有，HotSpot JVM使用基于分代的垃圾回收機制，所以在堆上又分為幾個不同的區域（在G1中，各年齡代不再是連續的一整片內存，為了描述方便，這里還使用傳統的表示方法），具體如下圖所示：

JVM堆中的分區

二、GC負責的事情

GC的發展是隨著JDK（Standard Edition）的發展一步步發展起來的，垃圾回收（Garbage Collection）可以說是JDK里最影響性能的行為了。GC做的事情，說白了就是「通過對內存進行管理，以保障在內存足夠的時候，程序可以正常的使用內存」。具體而言，GC通常做的事情有以下3個：

1. 分配對象和對象的年齡管理

通常而言，GC需要管理「在上圖中的年輕代（Young）分配對象，然后通過一系列的年齡管理，將之銷毀或晉升到老年代（Tenured）中去」的過程。這個過程會伴隨著若干次的Minor GC。

對于普通的對象而言，分配內存是一件很簡單而且快速的事情。在對象還未創建時，其所占內存大小通過類的元數據就可以確定，而Eden區域的內存可以認為是連續的，所以給對象分配內存要做的只是在上圖中Eden區域中把指針移動相應的長度，并將地址返回給對象的引用即可。當然實際的過程比這個復雜，在下文中會提到。

不過，有時候一個對象會直接在老年代中創建，這個點也會在后邊提到。

2. 在老年代中進行標記

老年代的GC算法可以大致是認為是一個標記-整理（Mark-Compact，其實是混合了標記-清理，標記-復制和標記-整理）算法，所以老年代的垃圾清理首先要做的就是在老年代對存活的對象（可達性分析，關于不同的可達性可以參考JDK解構 - Java中的引用和動態代理的實現）進行標記，對于尋求大吞吐量的服務器應用來說，這個過程往往需要是并發的。

標記的過程發生在Major GC被觸發之后，不同的GC對于MajorGC的觸發條件和標記過程的實現也不盡相同。

3. 在老年代中進行壓縮

在上一條的基礎上，將還存活的對象進行壓縮（CMS和G1的行為與此有些不同之處），壓縮的過程就是將存活的對象從老年代的起點進行挨個復制，使得老年代維持在一片連續的內存中，消除內存碎片，對于內存分配速度的提升會有很大的幫助。

三、GC的種類

Hotspot會根據宿主機的硬件特性和操作系統類型，將之分為客戶端型（client-class）或者服務器型（server-class），如果是服務器型主機，Java 9之前默認使用Parallel GC，Java 9中默認使用G1。對于服務器型主機的選擇標準是「CPU核心數大于1，內存大于2GB」，所以現在大部分的主機都可以認為是服務器型主機。

這里討論的所有GC都是基于分代垃圾回收算法的。

1. Serail

Serail是最早的一款GC，它只使用一個線程來做所有的Minor和Major垃圾回收。它在運行時，其他所有的事情都會暫停。其工作方式十分簡單，在需要GC的安全點，它會停止所有其他線程（Stop-The-World），對年輕代進行標記-復制，或對老年代進行標記-整理。

可以使用JVM參數-XX:+UseSerialGC來開啟此GC，當使用此參數時，年輕代和老年代將都是用Serial來做垃圾回收。在年輕代使用標記-復制算法，將Eden中存活的對象和非空的Suvivor區（From）中存活的對象復制到空的Suvivor區（To）中去，同時將一部分Suvivor中的對象晉升到老年代去。在老年代則使用標記-整理算法。

看起來Serial古老而簡陋，但在宿主機資源緊張或者JVM堆很小的情況下（比如堆內存大小只有不到100M），Serial反而可以達到更好的效果，因為其他并發或并行GC都是基于多線程的，會帶來額外的線程切換和線程間通信的開銷。

2. Parallel/Throughput

Parallel在Java 9之前是服務器型宿主機中JVM的默認GC，其垃圾回收的算法和Serial基本相同，不同之處在與它使用多線程來執行。由于使用了多線程，可以享受多核CPU帶來的優勢，可以通過參數-XX:+UseParallelGC -XX:+UseParallelOldGC顯示指定。

3. CMS

CMS和G1都屬于「Mostly Concurrent Mark and Sweep Garbage Collector」，可以使用-XX:+UseConcMarkSweepGC參數打開。CMS的年輕代垃圾回收使用的是Parallel New來做，其行為和Parallel中的差不多相同，他們的實現上有一些不同的地方，比如Parallel可以自動調節年輕代中各區的大小，用的是廣度優先搜索等。

老年代使用CMS，CMS的回收和Parallel也基本類似，不同點在與，CMS使用的更復雜的可達性分析步驟，并且不是每次都做壓縮的動作，這樣達到的效果就是，Stop-The-World的時長會降低，JVM運行中斷的時間減少，適合在對延遲敏感的場景下使用。

CMS在Java 9中已經被廢棄，但了解CMS的行為對理解G1會有一些幫助，所以這里還是會簡單的敘述一下。CMS的步驟大致如下：

第一次標記
從GC Roots開始，找到它們在老年代中第一個可達的對象，這些對象或者是直接被GC Roots引用，或者通過年輕代中的對象被GC Roots引用。這一步會Stop-The-World。

并發標記
在第一次標記的基礎上，進一步進行可達性分析，從而標記存活的對象。這一步叫「并發」標記，是因為做標記的線程是和應用的工作線程并發執行的，也就是說，這一步不會Stop-The-World。

第二次標記
在并發標記的過程中，由于程序仍在執行，會導致在并發標記完成后，有一些對象的可達性會發生變化，所以需要再次對他們進行標記。這一步會Stop-The-World。

清理
回收不使用的對象，留作以后使用。

CMS的設計比較復雜，所以也帶來了一些問題，比如浮動垃圾（Floating Garbage，指的是在第一步標記可達，但在第二步執行的同時已經不可達的對象），由于不做老年代壓縮，導致老年代會出現較多的內存碎片。

4. G1

由于「引入了并發標記」和「不做老年代壓縮」，CMS可以帶來更好的響應時延表現，但同時也帶來了一些問題。G1本身就是作為CMS的替代品出現的，在它的使用場景里，堆不再是連續的被分為上文所說的各種代，整個堆會被分為一個個區域（Region），每個區域可以是任何代。如下圖所示：

使用G1的JVM某時刻的堆內存

其中有紅色方框的為年輕代（標S的為Survivor區域，其他為Eden），其他藍色底的區域為老年代（標H的為大對象區域，用以存儲大對象）。

四、G1的一些細節

G1與以上3種GC相同，也是基于分代的垃圾回收器。它的垃圾回收步驟可以分為年輕代回收（Young-only phase，類似于Minor GC）和混合垃圾回收階段（Space-reclamation phase）。下圖是Oracle文檔中對于此兩個階段的示意圖：

G1設計目標和適用對象

G1的設計目標是讓大型的JVM可以動態的控制GC的行為以滿足用戶配置的性能目標。G1會在平衡吞吐和響應時延的基礎上，盡可能的滿足用戶的需求。它適用的JVM往往有以下特征：

堆的大小可能達到數十G（或者更大），同時存活的對象數量也很多。

對象的分配和年齡增長的行為隨著程序的運行不斷的變化

堆上很容易形成碎片

要求較少的Stop-The-World暫停時間，通常小于數百毫秒

對G1的行為進行測試

如果想要看垃圾回收的具體執行過程，可以使用虛擬機參數-Xlog:gc*=debug或者-Xlog:gc*=info，前一個會打印更多的細節。注意傳統的VM參數-XX:+PrintGCDetails在Java9中已經廢棄，會有Warning信息。可以使用以下代碼中的程序去測試：

static int TOTAL_SIZE = 1024 * 5; static Object[] floatingObjs= new Object[TOTAL_SIZE]; static LinkedList<Object> immortalObjs = new LinkedList<Object>(); //釋放浮動垃圾 synchronized static void renewFloatingObjs() {System.err.println("存活對象滿========================================");if (floatingSize + 5 >= TOTAL_SIZE) {floatingObjs= new Object[TOTAL_SIZE];floatingSize = 0;} } //添加浮動垃圾 synchronized static void addObjToFloating(Object obj) {if (floatingSize++ < TOTAL_SIZE) {floatingObjs[floatingSize] = obj;if (immortalSize++ < TOTAL_SIZE) {immortalObjs.add(obj);} else {immortalObjs.remove(new Random().nextInt(TOTAL_SIZE));immortalObjs.add(obj);}} }public static void main(String[] args) {for (int i = 0; i < 10; i++) {new Thread(() -> {while (true) {try {Thread.sleep(1);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}Byte[] garbage = new Byte[1024 * (1 + new Random().nextInt(20))];if (new Random().nextInt(20) < 2) {if (floatingSize + 5 >= TOTAL_SIZE) {renewFloatingObjs();}addObjToFloating(garbage);}}}).start();} }

在這段代碼中，模擬了常規程序的使用情況。不斷的生成新的大小不等的對象，這些對象中會有大約10%的機會進入浮動垃圾floatingObjs，浮動垃圾會被定期清除。同時會有一部分的對象進入immortalObjs，這些對象被釋放的機會更少，它們大概率將成為老年代的常住用戶。

從上邊的測試可以得到如下GC日志1，這是一次完整的年輕代GC，從中可以看到，默認的區域大小為1M，同時將開始一次Full GC，其格式大致為[<虛擬機運行的時長>][<日志級別>][<標簽>] GC(<GC的標識>) <其他信息>

//日志1 [0.014s][info][gc,heap] Heap region size: 1M //一次完整的年輕代垃圾回收，伴隨著一次暫停 [12.059s][info ][gc,start ] GC(18) Pause Young (G1 Evacuation Pause) [12.059s][info ][gc,task ] GC(18) Using 8 workers of 8 for evacuation [12.078s][info ][gc,phases ] GC(18) Pre Evacuate Collection Set: 0.0ms [12.078s][info ][gc,phases ] GC(18) Evacuate Collection Set: 18.6ms [12.079s][info ][gc,phases ] GC(18) Post Evacuate Collection Set: 0.3ms [12.079s][info ][gc,phases ] GC(18) Other: 0.3ms [12.079s][info ][gc,heap ] GC(18) Eden regions: 342->0(315) [12.079s][info ][gc,heap ] GC(18) Survivor regions: 38->35(48) [12.079s][info ][gc,heap ] GC(18) Old regions: 425->463 [12.079s][info ][gc,heap ] GC(18) Humongous regions: 0->0 [12.078s][debug][gc,ergo,ihop ] GC(18) Request concurrent cycle initiation (occupancy higher than threshold) occupancy: 485490688B allocation request: 0B threshold: 472331059B (45.00) source: end of GC [12.078s][debug][gc,ihop ] GC(18) Basic information (value update), threshold: 472331059B (45.00), target occupancy: 1049624576B, current occupancy: 521069456B, recent allocation size: 20640B, recent allocation duration: 817.38ms, recent old gen allocation rate: 25251.50B/s, recent marking phase length: 0.00ms [12.078s][debug][gc,ihop ] GC(18) Adaptive IHOP information (value update), threshold: 472331059B (47.37), internal target occupancy: 997143347B, occupancy: 521069456B, additional buffer size: 367001600B, predicted old gen allocation rate: 318128.08B/s, predicted marking phase length: 0.00ms, prediction active: false [12.078s][debug][gc,ergo,refine ] GC(18) Updated Refinement Zones: green: 15, yellow: 45, red: 75 [12.079s][info ][gc,heap ] GC(18) Eden regions: 342->0(315) [12.079s][info ][gc,heap ] GC(18) Survivor regions: 38->35(48) [12.079s][info ][gc,heap ] GC(18) Old regions: 425->463 [12.079s][info ][gc,heap ] GC(18) Humongous regions: 0->0 [12.079s][info ][gc,metaspace ] GC(18) Metaspace: 5172K->5172K(1056768K) [12.079s][debug][gc,heap ] GC(18) Heap after GC invocations=19 (full 0): [12.079s][info ][gc ] GC(18) Pause Young (G1 Evacuation Pause) 803M->496M(1001M) 19.391ms [12.079s][info ][gc,cpu ] GC(18) User=0.05s Sys=0.00s Real=0.02s

年輕代回收（Young-only）

對于純粹的年輕代回收，其算法很簡單，與Parallel和CMS的年輕代十分類似，這是一個多線程并行執行的過程，同樣需要Stop-The-World（對應上邊日志中的Pause Young），停下來所有的工作線程，然后將Eden上存活的對象拷貝到Suvivor區域，這里會將很多個對象從多個不同的區域拷貝到少數的幾個區域內，所以這一步在G1中叫做疏散（Evacuation），同時把Suvivor上觸及年齡閾值的對象晉升到老年代區域。

老年代回收（concurrent cycle）

G1的老年代回收是在老年代空間觸及一個閾值（Initiating Heap Occupancy Percent）之后，這個回收伴隨著年輕代的回收工作，但與上邊所說的回收有些不同。

年輕代回收：伴隨著年輕代的回收工作，同時會執行并發標記和一部分清理的工作，這樣可以共用年輕代垃圾回收的Stop-The-World。

第一次標記：對應一次Pause Initial Mark
和CMS的步驟類似，首先進行第一次標記。但實現方法上有很大的區別，G1首先對當前堆上的對象情況進行一個虛擬快照（Snapshot-At-The-Beginning），然后根據這個快照對老年代的對象和區域進行標記，并執行之后的垃圾回收。之后像CMS一樣會有并發標記的過程。
這樣會產生一個問題，在這次回收結束之后，會有些對象在并發標記的過程中，它的可達性已經變化，導致已經不可達的對象仍然沒有被回收。但是這樣能帶來更好的響應時間。

重新標記：對應一次Pause Remark
在這個階段，G1首先完成上一步開始的標記工作，之后會對特殊引用的對象進行處理（具體可以參考JDK解構 - Java中的引用和動態代理的實現），還有對Metaspace區域進行垃圾回收。這一步會進行Stop-The-World。

清理：對應一次Pause Cleanup
這一步主要做的是收集當前堆中的內存區域信息，對空的區域進行回收，為接下來的空間回收做一些準備工作，清理結束之后，通常會伴隨著一次年輕代回收，如果判斷不需要進行空間回收，則會進入下一個年輕代回收的工作。這一步會進行Stop-The-World。

混合垃圾回收：對應一次或多次Pause Mixed
主要做的是對老年代的區域內存進行疏散（Evacuation），也包含對年輕代的區域回收工作。同時這一步也會動態地調整IHOP

從對G1的GC日志的分析，可以看到G1的垃圾回收行為是基于一個可預測的模型：GC會不斷的主動觸發垃圾回收，在這個過程中不斷地進行信息統計和系統GC參數的設置，然后將上邊這些步驟安排在這些垃圾回收過程中。

大對象的分配

正常情況下，一個對象會在年輕代的Eden中創建，然后通過垃圾回收和年齡管理之后，晉升到老年代。但對于某些比較大的對象，可能會直接分配到老年代去。

對于G1，對象大多數情況都會在Eden上分配，如果JVM判斷一個對象為大對象（其閾值可以通過-XX:G1HeapRegionSize來設置），則會直接分配如老年代的大對象區域中。

對于其他的內存區域連續的GC，下面是從StackOverflow上搬運過來的對象在堆上的分配過程：

使用 thread local allocation buffer (TLAB), 如果空間足夠，則分配成功。
從名稱便可知，TLAB是線程獨占的，所以線程安全，且速度非常快。如果一個TLAB滿了，線程會被分配一個新的TLAB。

如果TLAB 空間不夠這次分配對象，但其中還有很多空間可用，則不使用TLAB，直接在Eden中分配對象。
直接在Eden上分配對象要去搶占Eden中的指針操作，其代價較使用TLAB要大一些。

如果Eden的對象分配失敗，出發Minor GC。

如果Minor GC完成后還不夠，則直接分配到老年代。

一些簡單的GC調優方法

1. 使用不同的索引對象

引用的類型會直接影響其所引用對象的GC行為，當要做一些內存敏感的應用時，可以參考使用合適的引用類型。具體可以參考JDK解構 - Java中的引用和動態代理的實現。

2. 使用Parallel

從上文中可知，Java 8默認的GC是Parallel，它也叫Throughput，所以它的目的是盡可能的增加系統的吞吐量。在Parallel里，可以通過參數調節最大停止時間（-XX:MaxGCPauseMillis，默認無設置）和吞吐量（-XX:GCTimeRatio，默認值是99，即最大使用1%的時間來做垃圾回收）來調優GC的行為。其中設置最大停止時間可能會導致GC調節各年齡代分區的尺寸（通過增量來實現）。

3. 使用G1

從Java 9開始G1變成了默認的GC，G1中有一些細節的概念在上文中沒有敘述，這里先介紹一下：

Remembered Sets（Rsets）：對于每個區域，都有一個集合記錄這個區域中所有的引用。

G1 refinement：G1中需要有一系列的線程不斷地維護Rsets。

Collection Sets（Csets）：在垃圾回收中需要被回收的區域，這些區域中的可達對象（活著的對象）會被疏散。這些區域可能是任何年齡代。

寫屏障（Write Barriers）：對于每一次賦值操作，G1都會有兩個寫屏障，寫之前（Pre-Write）一個，寫之后（Post-Write）一個。Pre-write主要與SATB相關，Post-write主要與Rsets相關

Dirty Card Queue：寫屏障會將寫的記錄放入這個隊列，會有線程將這里的對象不斷的刷入Rsets。

Green/Yellow/Red Zone：三個會影響處理Dirty Card Queue線程數的閾值。根據Dirty Card Queue中元素的個數，可以來設置一些GC行為（可以認為是邏輯上將Dirty Card Queue分隔成多個區域）。Green表示超過此閾值則開始新建線程來處理這個隊列，Yellow表示超過此閾值，強制啟動這些線程，Red表示超過此閾值則會讓寫操作的線程自己來執行G1 refinement。

G1提供了豐富的基于不同目的的可調優的參數，列表如下：

參數描述

-XX:+G1UseAdaptiveConcRefinement,	調節G1 refinement所使用的資源。
-XX:G1ConcRefinementGreenZone=<ergo>,	調節G1 refinement所使用的資源。
-XX:G1ConcRefinementYellowZone=<ergo>,	調節G1 refinement所使用的資源。
-XX:G1ConcRefinementRedZone=<ergo>,	調節G1 refinement所使用的資源。
-XX:G1ConcRefinementThreads=<ergo>	調節G1 refinement所使用的資源。
-XX:G1RSetUpdatingPauseTimePercent=10	調節G1 refinement所需要的時間在整個垃圾回收時間的比例，G1會根據這個時間動態地調節第一行的各個參數。
-XX:+ReduceInitialCardMarks	批量執行對象的生成，以減少初始標記的時間
-XX:-ParallelRefProcEnabled	使用多線程處理上文中所說的在重新標記階段對引用的處理
-XX:G1SummarizeRSetStatsPeriod=<n>	設置n次垃圾回收后，打印Rsets的總結性報告。
-XX:GCTimeRatio=<n>	設置GC吞吐量。GC總共應該使用的時間是1 / (1 + n)，這個參數會影響不同年齡代尺寸的增長。
-XX:G1HeapRegionSize	設置區域的大小

主要參考文檔：

Getting Started with the G1 Garbage Collector

Garbage-First Garbage Collector Tuning

Evaluating and improving remembered sets in the HotSpot G1 garbage collector

G1GC Internals

GC Algorithms: Basics

Java中幾種常量池的區分、、

原文地址：點擊打開鏈接，感謝！

總結

以上是生活随笔為你收集整理的Java9中的GC 调优的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。