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初步认识Java虚拟机中的垃圾收集器

前言

Java虚拟机的垃圾收集器是虚拟机内存的清道夫，它的存在让Java开发人员能将更多精力投入到业务研发上。了解垃圾收集器，并利用好这个工具，能更好的保障服务稳定性。这篇文章通过分析Java虚拟机内存模型，介绍垃圾收集器常用算法和收集器类别，使得垃圾收集器的配置和使用变得不再遥不可及。

Java虚拟机内存模型

Java虚拟机内存可以划分为：虚拟机栈、本地方法栈、JAVA堆内存、方法区(包含运行时常量池)、程序计数器、直接内存。

虚拟机栈

虚拟机栈是线程私有的，生命周期跟线程相同。也就是说一个线程被创建后，虚拟机为其分配了一个独立的栈帧来存储线程的局部变量、操作数、动态链接、方法出口等信息，当线程结束后，该栈帧也会被回收清理。

本地方法栈

本地方法栈是虚拟机的native方法执行期间使用的一个栈帧。

Java堆内存

堆内存是被所有线程共享的一块区域，用来存放对象实例和数组，属于内存中最大的一块区域，也是垃圾收集的主要区域。从垃圾收集的角度看，堆内存经常分为新生代和老年代。

方法区

方法区也是被所有线程共享的一块区域，用来存储被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、JIT编译后代码等数据。也可以成为永久代。

程序计数器

程序计数器是线程私有的，作为当前线程所执行的字节码的行号指示器，每个线程有一个程序计数器，用于记录CPU切换线程时记录当前线程的执行位置，以便下次继续从当前位置往下执行。

直接内存

这块不属于JAVA虚拟机内存，但使用频繁，也可称之为“堆外内存”

Java虚拟机垃圾收集器

根据上述对JAVA虚拟机内存区域模型的介绍，我们知道JAVA程序中的对象实例都存储在JAVA堆内存中，因此垃圾收集主要也是针对堆内存进行。为了更好的管理JAVA对象实例，并结合对象实例的生存时间长短，JAVA虚拟机将堆内存分为新生代和老年代，分别存储刚创建不久的对象和存活较长时间的对象实例，并采用分代收集的策略分别回收新生代和老年代的内存。

内存分配与回收策略

1、分代收集思路。根据JAVA对象的生存周期特点，虚拟机将堆内存分为新生代和老年代，并分别采用新生代和老年代的垃圾回收策略。
2、新生代细分为Eden区和两个Survivor区(即From区和To区)。大多数新生对象创建频繁，且存活时间短，为了提高新生代区域垃圾收集效率，新创建的对象存放在Eden区，当Eden区快满的时候，虚拟机对其触发一次Minor GC，将新生代存活对象移动到From区，原来From区的对象根据存活年龄决定放到To区还是老年代，然后清空Eden区和From区，接着将To区对象全部移到From区。
3、大对象直接进入老年代，可以配置新生代对象的最大值，对象超过这个值就直接进入老年代。
4、发起Minor GC前，会先判断老年代最大可用连续空间是否大于新生代对象占用的空间，如果小于或不允许冒险，则触发一次Full GC。

垃圾收集算法（3种基本算法）

1、复制算法。针对于新生代的垃圾收集算法。当新生代Eden区快满的时候，将Eden区对象复制到From区，将From区对象根据存活年龄决定复制到To区还是到老年代，然后清除Eden区和From区，接着将To区对象复制到From区。
2、标记-清除算法。垃圾收集算法标记出需要回收的对象，标记完成后直接统一回收。垃圾收集器使用可达性分析来判断哪些对象是否存活，通过设置一系列GC Roots节点（包括栈、方法区中的静态属性和常量所引用的对象，以及本地方法栈中引用的对象），从这类节点往下搜索，当对象不在GC Root节点的引用链上时，说明对象不可达，可以被回收。
3、标记-整理算法。垃圾收集算法标记出需要回收的对象，标记完成后将存活对象往内存的一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存。

常用垃圾收集器

由于虚拟机中的垃圾收集是分代收集的，新生代和老年代的垃圾收集策略不太一样，所以一般是使用针对新生代和老年代的垃圾收集器组合。

1、 Serial GC。新生代收集器，采用复制算法，用于Client客户端新生代垃圾收集，针对内存占用较少的应用进行垃圾收集。
2、 Serial Old GC。老年代收集器，采用标记-整理算法，用于Client客户端老年代垃圾收集，针对内存占用较少的应用进行垃圾收集。
3、 Parallel Scavenge GC。新生代收集器，采用复制算法，并行收集新生代内存垃圾，可以设置垃圾收集器的吞吐量，还可以设置自动适配调节吞吐量。
4、 Parallel New GC。新生代收集器，采用复制算法，并行收集新生代内存垃圾。
5、 Parallel Old GC。老年代收集器，采用标记-整理算法，并行收集老年代内存垃圾。
6、 CMS GC。老年代收集器，采用标记-清除算法，并行收集老年代内存垃圾，不整理内存。由于在执行垃圾收集期间不中断业务线程，所以容易产出“浮动垃圾”，导致Full GC。可以通过设置参数来触发内存整理任务。
7、 G1 GC。不再将堆内存区分新生代和老年代，而是将堆内存看作若干个均分小区域，并对最空闲的内存区域进行标记和回收。适用于大内存的应用。

配置垃圾收集机器参数

1、UseSerialGC：虚拟机允许在Client模式下的默认值，打开此配置后，虚拟机使用Serial GC + Serial Old GC 的收集器组合进行内存回收。
2、UseParNewGc：使用ParNew + Serial Old 的收集器组合进行内存回收。
3、UseConcMarkSweepGC：使用ParNew + CMS + Serial Old GC的收集器组合进行内存回收。
4、UseParallelGC：虚拟机允许在Server模式下的默认值，使用Parallel Scavenge + Serial Old 的收集器组合进行内存回收。
5、UseParallelOldGC：使用Parallel Scavenge + Parallel Old GC的收集器组合进行内存回收。
6、SuriviorRatio：新生代中Eden区域与Surivior区域的容量比值，默认是8:1。
7、PretenureSizeThreshold：设置这个值后，大于这个值的对象直接进入老年代。
8、MaxtenuringThreshold：对象年龄超过这个值时进入老年代。
9、ParallelGCThreads：设置并行GC时进行内存回收的线程数。
10、UseAdaptiveSizePolicy：动态调整堆内存中各个区域的大小和进入老年代的对象年龄。
11、HandlerPromotionFailure：是否允许分配担保失败。
12、GCTimeRatio：仅在Parallel ScaVenge收集器时生效，设置GC时间占总运行时间的比率，默认为1%。
13、MaxGCPauseMills：仅在Parallel ScaVenge收集器时生效，设置GC的最大停顿时间。
14、CMSInitiatingOccupancyFraction：设置CMS收集器在老年代空间被使用多少后触发垃圾收集，默认68%，在设置CMS收集器时生效。
15、UseCMSCompactAtFullCollection：在设置CMS收集器时生效，设置CMS收集器在完成垃圾收集后是否进行一次碎片整理。
16、CMSFullGCsBeforeCompaction：仅在使用CMS时生效，设置CMS收集器在进行若干次收集后再启动一次内存碎片整理。