Java的GC机制及算法

GC的阶段 
对每个对象而言，垃圾回收分为两个阶段：finalization和reclamation。 

• finalization: 指运行这个对象的finalize的方法。
• reclamation: 回收被这个对象使用的内存。

GC的过程的基本步骤 

• 首先确认对象是不可达的，即将被回收。
• 其次，如果对象有finalize方法，那么对象被添加进finalization queue中；然后在某个时间点finalize方法被调用以释放finalize中的资源。
• 最后，回收对象占用的内存。

关于finalize方法的问题 

• finalize方法使得GC过程做了更多的事情，增加的GC的负担。
• 如果某个对象的finalize方法运行时间过长，它会使得其他对象的finalize方法被延迟执行。
• finalize方法中如果创建了strong reference引用了其他对象，这会阻止此对象被GC。
• finalize方法有可能以不可确定的顺序执行（也就是说要在安全性要求严格的场景中尽量避免使用finalize方法）。
• 不确保finalize方法会被及时调用，也许程序都退出了，但是finalize方法还没被调用。

对象引用的类型 

• Reference(or named Strong Reference)（ 强引用）：普通类型的引用。
• SoftReference（ 软引用）：被这种引用指向的对象，如果此对象没要再被其他Strong Reference引用的话，可能在任何时候被GC。虽然是可能在任何时候被GC，但是通常是在可用内存数比较低的时候，并且在程序抛出OutOfMemoryError之前才发生对此对象的GC。SoftReference通常被用作实现Cache的对象引用，如果这个对象被GC了，那么他可以在任何时候再重新被创建。另外，根据JDK文档中介绍，实际JVM的实现是鼓励不回收最近创建和最近使用的对象。SoftReference 类的一个典型用途就是用于内存敏感的高速缓存。
• WeakReference（弱引用）：如果一个被WeakReference引用的对象，当没要任何SoftReference和StrongReference引用时，立即会被GC。和SoftReference的区别是：WeakReference对象是被eagerly collected，即一旦没要任何SoftReference和StrongReference引用，立即被清楚；而只被SoftReference引用的对象，不回立即被清楚，只有当内存不够，即将发生OutOfMemoryError时才被清除，而且是先清除不常用的。SoftReference适合实现Cache用。WeakReference 类的一个典型用途就是规范化映射（ canonicalized mapping ）
• PhantomReference（虚引用）：当没有StrongReference，SoftReference和WeakReference引用时，随时可被GC。通常和ReferenceQueue联合使用，管理和清除与被引用对象（没有finalize方法）相关的本地资源。

衡量GC的指标（GC Metrics） 

• Throughput（吞吐量）：所有没有花在执行GC上的时间占总运行时间的比重。
• Pauses（暂停）：当GC在运行时程序的暂停次数。或者是在感兴趣的暂停次数中，暂停的平均时长和最大时长。
• Footprint（足迹？）：当前使用的堆内存大小。
• Promptness（及时性）：不再使用的对象多久能被清除掉并释放其内存。

通用GC算法 
Java所使用的所有的GC算法都是通用GC算法概念的变种。 
通用GC算法的假设： 

• 最近创建的对象很可能很快就不可达了（unreachable，即可被回收了），比如方法内部声明的本地变量，当程序运行出了本地变量的作用范围后，本地变量引用的对象就很快不可达了。
• 一个对象保持可达（reachable）的越久就越不可能被回收。

在Java GC中，对象被划分为generations（代）或spaces（空间）。Java把对象分为young（年轻代），tenured（年老代）和perm（永久代）。在GC过程中，对象从一个space（空间）移动到另一个space。 
Object Spaces（对象空间） 

• Young：年轻代中保存着刚创建的对象，这个代中的对象能够“minor” or “major” 收集中被回收。
• Tenured：年老代中保存着从年轻代中幸存下来的对象，只能够在“major”中被回收。
• Perm：永久代中保存着JVM所需的对象，比如Class对象和Method对象，以及他们的字节码和内部字符串等。对Perm中的对象GC意味着所有的Class都被卸载了。

每块空间的大小由当前的对内存大小决定，并且能够在运行时改变。每个空间之间的关系如下图所示： 
 

Young Spaces（年轻空间） 

• Eden space：存储自从上次GC完毕之后新创建的对象，除了属于Perm的对象。当minor collection发生时，Eden space中的对象或者GC清理掉，或者被移到survivor space。
• Survivor spaces：这个空间中存储的是自从上次GC幸存下来的young object。在minor GC中，这些对象或者被GC清理掉，或者被移到另外一个survivor空间中。

Minor collections和Major collections 

• Minor collection当young space被占满时执行。它比major collections快，因为minor collection仅仅检查major collection相应的一个子集对象。minor collection比major collection发生的频率高。
• Major collection当tenured space被占满时执行。他会清理tenured和young。

GC运行的三种方式 
在java5和java6中有4中垃圾回收的算法，有一种算法将不再支持，剩余的三种垃圾回收算法是：serial,throughput and concurrent low pause。 

• Stop the world（停止所有程序的方式）：在这种方式运行的GC，在GC完成前，JVM中的所有程序都不允许运行。Serial collector此时做minor和major收集。Throughput collector此时做major collector。
• Incremental（增量运行方式）：目前没要Java GC算法支持这种运行方式。GC以这种方式运行时，GC允许程序做一小段时间的工作，然后做垃圾回收工作。
• Concurrent（并行运行）：Throughput collector此时做minor collect，Concurrent low pause collector此时做minor和major收集。在这种运行方式下，GC和程序并行的运行，因此程序仅仅被短暂的暂停。

GC算法 

• Serial算法: 使用-XX:+UseSerialGC开启此算法的GC。GC使用和应用程序相同的线程去做minor collection和major collection。
• Throughput：使用-XX:+UseParallelGC开启此算法GC。GC使用多线程去做minor collection以减少程序停止的时间。但是对于major collection，还是使用同程序相同的线程去做。当具有多核cpu时，并且程序有大量的短生命周期的对象时，并且对程序停顿时间不限制时较好。
• Concurrent Low Pause: 使用-XX:+UseConcMarkSweepGC开启此算法GC。使用多线程去做minor和major collection。当具有多核cpu，并且程序有大量的长生命周期的对象，并且对程序停顿时间有限制时，效果较好。

什么时候发生GC 
GC发生的时刻受堆内存大小的影响。如果堆内存小，GC会执行的很快，但是又会很快的被填满，因此GC比频繁；如果堆内存很大，GC会执行的较慢，而且不会很快被填满，因此执行的比较频率比较低。 

基本的GC调试 
throughput goal -XX:GCTimeRatio=n： 表示花费总时间百分之多少的CPU时间去运行程序。 
maximum pause time goal -XX:MaxGCPauseMillis=n：每次GC时程序暂停最多多少毫秒。 
footprint goal：如果其他目标都达到了，那么首先减少heap size，直到前两个goal不再满足，然后再慢慢增加。直到满足前面两个goal。 
-Xms=n (starting) and -Xmx=n (maximum) heap size，这两个参数应该都很熟悉，就是JVM使用的最小堆内存数和最大堆内存数。 
-XX:MinHeapFreeRatio=n, -XX:MaxHeapFreeRatio=n：最小和最大的空闲堆内存和被使用堆内存的比例。当空闲堆内存比例小于MinHeapFreeRatio时，内存空间开始扩展。当空闲堆内存比例大于MaxHeapFreeRatio时，内存空间开始减小。 
-XX:NewSize=n, -XX:MaxNewSize=n：默认的young space的大小（包括eden + survivor 1 + survivor 2）。 
-XX:NewRatio=n：young和tenured的比例。 
-XX:SurvivorRatio=n：每个survivor space 和 eden之间的比例。 
-XX:MaxPermSize=n：perm的最大size。 
-XX:TargetSurvivorRatio=n：每次GC之后幸存下来的空间的目标比例。 
-XX:+DisableExplicitGC：当此参数打开时，在程序中调用System.gc()将会不起作用。默认是off。 
-XX:+ScavengeBeforeFullGC：当打开此参数时，在每次major collection时先执行一次minor collection。默认打开。 
-XX:+UseGCOverheadLimit：当打开此参数时，如果总运行时间的98％的时间都在做GC，则抛出OutOfMemmoryError。默认打开。 

参考资料：