【浅度渣文】JVM——简述垃圾回收

自动垃圾收集是查看堆内存的过程，可以识别哪些对象正在使用，哪些不是，以及删除未使用的对象。一个正在使用的对象或一个被引用的对象，意味着你的程序的某个部分仍然保持着一个指向这个对象的指针。未使用的对象或未引用的对象不再被程序的任何部分引用。所以未被引用的对象所使用的内存可以被回收。

在像C这样的编程语言中，分配和释放内存是一个手动过程。在 Java 中，释放内存的过程由垃圾收集器自动处理。基本过程可以描述如下。

第1步：标记

这个过程的第一步就是标记。这是垃圾收集器标记内存中哪些对象正在被使用，哪些对象已经没有被使用。

有用的对象显示为蓝色，没有用的对象显示为黄色。在标记阶段扫描所有对象，然后做出这个决定。如果必须扫描系统中的所有对象，这可能是非常耗时的过程。

第2步：普通删除

内存维护着一个空闲内存列表，每次分配空间时，会来这个列表上找到合适的空间分配。正常删除时，会把没有用到的对象的内存空间还给空闲列表。

另一种第2步：删除并压缩

为了进一步提高性能，除了删除未引用的对象之外，还可以压缩剩余的引用对象。 通过移动被引用的对象，这使得新的内存分配变得更容易和更快。

为什么使用分代垃圾收集？

如前所述，标记和压缩JVM中的所有对象效率不高。 随着越来越多的对象被分配，对象列表的增长和增长导致更长和更长的垃圾收集时间。 然而，应用程序的实证分析表明，大多数对象是短暂的。

这里给个数据的例子。

正如你所看到的，随着时间的推移对象保持存活的越来越少。 实际上，大多数对象的寿命都很短，如图左侧较高的值所示。

JVM 的分代

根据上面的对象的行为特性，我们可以总结出一个更好的方式来提高JVM垃圾回收的效率。所以，就把堆内存分成几种代， 新生代 ， 老年代 ， 永久代 （Java8之后就没有永久代了，取而代之的是元数据Metaspace）。

一个新的对象会被分配在 新生代 上，并且新的对象会在新生代里慢慢变老。当新生代的空间被占满后，就会触发一次minor gc。假设新生代里的对象死亡率很高的话，那么新生代的垃圾回收就是很优的。一个充满死亡对象的新生代收集起来其实很快。幸存下来的对象会慢慢变老，直到可以移入老年代。

Stop the World Event——所有的新生代手机都是停止世界的事件。Stop the World Event的意思是，所有的应用程序的线程都会被暂停，直到垃圾回收完成。新生代GC总是Stop the World。

老年代是存放那些经历了多次minor gc，年纪达到一个阈值之后的存活的对象。一般来说，会给对象设置一个年龄阈值，达到阈值之后，就会移入老年代。最后，老年代需要进行垃圾回收，就会触发一次major gc。

Major gc也是导致Stop the World。在大部分情况下，major gc是会比minor gc慢很多。所以，对于一个关注响应时间的应用来说，应该尽可能的降低major gc的次数。这里也要注意到，major gc的停顿时间（Stop the World的时间）是和你选取的垃圾收集器有关的。

永久代包含了JVM所需要的class和method的定义等元数据。永久代会随着JVM运行时加载的class而填充新的元数据。除此之外，Java SE的类库也会被存储在这里。

如果JVM检测到这部分class不会被使用了，而且需要更多的内存空间来加载其他的class，那么class也会被回收（unloaded/卸载）。这个收集包含在一次full gc中。（即便是在Java8之后，没有了所谓了永久代，取而代之的是元数据，但是，也会存在类型卸载的回收）

分代垃圾回收

现在你已经明白了为什么需要把堆细分成不同的几个代，现在是时候仔细的看看这种空间是如何工作的了。下面的图演示了在JVM中，对象的分配和变老的过程。

1.首先，任何对象都会被分配在eden区。两个suvivor区一开始都是空的。

这里是为了给读者介绍垃圾回收器的设计过程，和一步步的思考过程，在之后还是会有很多优化，可能会和一开始的设计意图相违背，请见谅。比如，有的对象甚至不分配到堆里（逃逸分析），有的大对象甚至会直接分配到old区（大对象分配），有的对象甚至会分配到堆外内存（nio等），等等各种特殊情况。

2.当eden满了之后，就会触发一次minor gc。

3.活着的对象会被移到第一个suvovor区（第一个第二个都是相对的）。没有被是用的对象就直接被清除了。

4.下一次minor gc发生时，同样的操作。没有被使用的对象被清除，活着的对象和被移到另一个suvivor区。而且，这些对象年龄会+1，然后被移入第二个suvivor。所有的活着的对象都被移入这个新的suvivor1，那么eden和suvivor0又都空了。但是，现在在suvivor1中，对象的年龄是不一样的。

5.下一次minor gc，又会重复上面的步骤。不过对象是从eden和suvicor1移入到suvivor0中了。

6.终于，随便不断的minor gc，对象的年龄越来越大，达到了阈值（这里是8）时，他们会晋升带老年代。

7.随着更多的minor gc，也有更多的对象晋升到老年代。

8.上面已经涵盖了新生代的整个过程。最后，老年代需要进行一次major gc来清除，压缩老年代的空间。

执行并观察

上面说了那么多，相信机智的读者已经大致了解垃圾回收的过程了。现在让我们亲眼看一看这个执行过程。这一部分，我们会运行一个Java应用程序，然后使用Visual VM分析回收的过程。Visual VM是JDK提供给我们的一个工具，开发者可以使用这个 工具 对JVM进行各个方面的监视。

1. 你需要先去Oracle官网下载JavaDemo。

2.启动示例代码

确保你的电脑已经安装了JDK，并下载了上一步说的demo。然后解压到本地一个目录下。我的目录是 /Users/teeyoung/Desktop/code4me/javademos8 。

然后执行Java2demo.jar， java -Xmx120m -Xms30m -Xmn10m -XX:PermSize=20m -XX:MaxPermSize=20m -XX:+UseSerialGC -jar Java2Demo.jar

注意：1.这些命令稍后会解释；2.-XX:PermSize=20m -XX:MaxPermSize=20m如果是在Java 8之后是提示无效，以为已经被移除了。

程序运行起来是这个样子：

你可以看到很多tab，那些演示了Java的绘图功能（看到这个程序，让我想到了买家秀和卖家秀，别人写的代码和我写的代码）。

随意点击各个tab，大致是这样的：

这个界面可以看到垃圾回收行为的结果，看右下角的内存监视。我们先让他运行着，我们稍后会用到它的。

3.启动VisualVM

如果你的jdk/bin已经在你的path下了，那么直接执行 jvisualvm ，否则需要输入完整的路径，如： /usr/bin/jvisualvm 。

4.安装Visual GC插件

我们需要安装Visual GC这个插件，但是java.net这个站点都关了，无法联网安装，所以我写了另一篇文章演示如何安装插件。请移步 jvisualvm插件安装的正确姿势（解决网络问题）：http://www.dubby.cn/detail.html?id=9061 。

安装之后就是这个样子：

5.分析Java2Demo

首先双击Java2Demo这个本地进程，或者右击->Open：

然后点击 Visual GC 这个tab：

然后就自由尝试各个tab页，看看每个信息代表JVM的什么指标。还有，你可以尝试着改变Java2Demo上的string和image的数量，看看对垃圾回收有什么影响。

Java垃圾收集器

现在你知道了垃圾回收的基本概念，还有如何去监视JVM的垃圾回收。现在我们来了解Java给我们提供的不同的垃圾回收器，还有我们需要掌握如何使用这些垃圾回收器的命令行。

通用的命令行

这里给出一些通用的命令行，不管你是什么收集器，都会用到的。

选项	描述
-Xms	设置JVM启动时，堆的初始大小
-Xmx	设置堆的最大的容量
-Xmn	设置新生代的容量
-XX:PermSize	设置永久代的初始大小（ Java 8以废弃 ）
-XX:MaxPermSize	设置永久代的最大容量（ Java 8以废弃 ）
-XX:MinHeapFreeRatio	设置堆最小空闲容量，低于这个阈值就扩容，但是堆总量还是要在Xmx和Xms之间
-XX:MaxHeapFreeRatio	设置堆最大空闲容量，高于这个阈值就收缩，但是堆总量还是要在Xmx和Xms之间

Serial收集器

Serial收集器是客户端默认的收集器。使用Serial收集器，minor gc和major gc都是单线程处理。而且，老年代使用并发-压缩算法。把老年代的活着的对象移到老年代的前面，后面空出空闲区域，以供后续分配，可以避免空间碎片。

使用场景

Serial收集器是一些客户端（PC，不是服务器）应用使用，而且对于低延时要求不高的。他的优势是单线程处理。直到今天，对于一些不是很重要，堆内存只有几百MB的应用来说，Serial GC依然是个很有效的垃圾收集器。

还有一个广泛使用Serial收集器的场景是，一个机器上运行着很多JVM（在某些场景下，JVM的数量比处理器的核数还要多）。在这种情况，使用Serial收集器可以减少JVM之间冲突，即便GC的时间变长了。

最后，随着嵌入式设备的普及，内存少，核数少，Serial收集器可能会重新绽放光彩。

命令行选项

开始Serial收集器：

-XX:+UseSerialGC
复制代码

给个完整的例子：

java -Xmx12m -Xms3m -Xmn1m -XX:PermSize=20m -XX:MaxPermSize=20m -XX:+UseSerialGC -jar Java2demo.jar
复制代码

Parallel收集器

Parallel收集器在回收新生代时，使用多线程进行收集。默认的回收线程数等于机器的核数。可以使用 -XX:ParallelGCThreads=<desired number> 来设置希望的线程数。

在只有一个CPU的机器上，即便你已经开启了Parallel收集器，JVM还是会使用默认的收集器来工作。

使用场景

Parallel收集器也被称为 吞吐收集器 。因为他可以利用多线程来加快应用的吞吐。这个收集器一般被用作有很多工作需要做，而且对低延要求时不那么高的应用。例如，批处理（报表，账单，或者是很大的数据库查询等）。

-XX:+UseParallelGC

这个命令行选项是开启新生代的多线程收集，老年代的多线程收集。老年代也是整理方式。

给个完整的例子：

java -Xmx12m -Xms3m -Xmn1m -XX:PermSize=20m -XX:MaxPermSize=20m -XX:+UseParallelGC -jar Java2demo.jar
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-XX:+UseParallelOldGC

这个选项是开启新生代的多线程收集，老年代的多线程收集。老年代也是整理方式。

整理：就是会把活着的对象移到内存的前面，这样就对象和对象之间的小的空闲的空间（内存碎片）。内存碎片可能导致，空闲空间足够，但是大对象无法分配的情况。

完整的例子：

java -Xmx12m -Xms3m -Xmn1m -XX:PermSize=20m -XX:MaxPermSize=20m -XX:+UseParallelOldGC -jar Java2demo.jar
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CMS收集器

并发(Concurrent)标记(Mark)清除(Sweep)收集器（CMS）（也被叫做：并发低延时收集器）是一个手机老年代的垃圾收集器。他试图把大部分垃圾收集工作和应用程序的线程并发执行，以降低所造成的停顿（Stop the World）时间。通常情况下，CMS不会压缩整理活着对象。所以，会存在内存碎片的问题。如果内存碎片成为你的问题，那么可以考虑换用更大的堆（哈哈，也可以考虑换收集器，但是，换更大的堆是直接并且简单的方法）。

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样（单线程，复制）。

使用场景

CMS适用对低延时有高要求的应用。比如，响应事件的桌面应用，响应请求的Web服务器，或者响应查询的数据库。

命令行选项

开启命令：

-XX:+UseConcMarkSweepGC
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设置线程数：

-XX:ParallelCMSThreads=<n>
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这里给个完整的例子：

java -Xmx12m -Xms3m -Xmn1m -XX:PermSize=20m -XX:MaxPermSize=20m -XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:ParallelCMSThreads=2 -jar Java2demo.jar
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G1收集器

具体的可以查看 【浅度渣文】JVM——G1收集器:http://www.dubby.cn/detail.html?id=9059

这里简单描述一下吧，G1在Java 7才出现的，是一个并发的，低延时的，整理收集器。对堆内存管理和之前的收集器都不一样。