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垃圾回收的常见算法

程序员文章站 2022-06-24 11:03:01
垃圾回收的常见算法 2.1 引用计数法 2.1.1 原理 2.1.2 优缺点 2.2 标记清除法 2.2.1 原理 2.2.2 优缺点 2.3 标记压缩算法 2.3.1 原理 2.3.2 优缺点 2.4 复制算法 2.4.1 JVM中年轻代内存空间 2.4.2 优缺点 2.5 分代算法 3 垃圾收集 ......

自动化的管理内存资源,垃圾回收机制必须要有一套算法来进行计算,那些是有效的对象,那些是无效的对象,对于无效的对象
就要进行回收处理。
常见的垃圾回收算法有 :引用计数法、标记清除法、标记压缩法、复制算法、分代算法等。

 

2.1 引用计数法

引用计数是历史最悠久的一种算法,最早george e. collins在1960的首次提出,50年后的今天,该算法依然被很多编程语言使用。

2.1.1 原理

假设有一个对象a,任何一个对象对a的引用,那么对象a的引用计数器+1,当引用失败时,对象a的引用计数器就-1,如果对象a的计算器的值
为0,就说明对象a没有引用了,可以被回收。如图所示

垃圾回收的常见算法

2.1.2 优缺点

优点 :
	1、实时性较高,无需等到内存不够的时候,才开始回收,运行时根据对象的计数器是否为0,就可以直接回收。
	2、在垃圾回收过程中,应用无需挂起。如果申请内存时,内存不足,则立刻报outofmember错误。
	3、区域性,更新对象的计数器时,只是影响到该对象,不会扫描全部对象。
缺点 :
	1、每次对象呗引用时,都需要去更新计数器,有一点时间开销。
	2、浪费cpu资源,即使内存够用,任然在运行时进行计数器的统计。
	3、无法解决循环引用问题。(最大的缺点)	

垃圾回收的常见算法
虽然a和b都为null,但是由于a和b存在循环引用,这样a和b永远都不回被回收。
垃圾回收的常见算法

2.2 标记清除法

标记清除算法,是将垃圾回收分为2个阶段,分别是标记和清除。
	标记 :从根节点开始标记引用的对象。
	清除 :未被标记引用的对象就是垃圾对象,可以被清理。

2.2.1 原理

垃圾回收的常见算法
这张图代表的是程序运行期间所有对象的状态,它们的标志位全部是0(也就是未标记,以下默认0就是未标记,1为已标记),
假设这会儿有效内存空间耗尽了,jvm将会停止应用程序的运行并开启gc线程,然后开始进行标记工作,按照根搜索算法,标记完以后,对象的状态如下图。
垃圾回收的常见算法
可以看到,按照根搜索算法,所有从root对象可达的对象就被标记为存活的对象,此时已经完成了第一阶段标记。接下来,就要
执行第二阶段清除了,那么清除完以后,剩下的对象以及对象的状态如下图所示。
垃圾回收的常见算法
可以看到,没有被标记的对象将会回收清除掉,而被标记的对象将会留下,并且会将标记重新归0.接下来就不用说了,唤醒停止
的程序线程,让程序继续运行即可。

2.2.2 优缺点

可以看到,标记清除算法解决了引用计数算法中的循环引用的问题,没有从root节点引用的对象都会被回收。同样,标记清除算法也是有缺点的 :
1、效率较低,标记和清除两个动作都需要遍历所有的对象,并且在gc时,需要停止应用程序,对于交互性要求比较高的应用
而言这个体验是非常差的。
2、通过标记清除算法清理出来的内容,碎片化较为严重,因为被回收的对象可能存在于内存的各个角落,所以清理出来的内存是不连贯的。
垃圾回收的常见算法

2.3 标记压缩算法

标记压缩算法是在标记清除算法的基础之上,做了优化改进的算法。和标记清除算法一样,也是从根节点开始,对对象的引用进行标记,在清理阶段,并不是简单的清理未标记的对象,而是将存活的对象压缩到内存的一端,然后清理边界以外的垃圾,从而解决了碎片化的问题。

2.3.1 原理

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2.3.2 优缺点

优缺点同标记清除算法,解决了标记清除算法的碎片化的问题,同时,标记压缩算法多了一步,对象移动内存位置的步骤,其效率也有一定的影响。

2.4 复制算法

复制算法的核心就是,将原有的内存空间一分为二,每次只用其中的一块,在垃圾回收时,将正在使用的对象复制到另一个内存空间中,然后将该内存空间清空,交换两个内存的角色,完成垃圾的回收。
如果内存中的垃圾对象较多,需要复制的对象就较少,这种情况下适合使用该方式并且效率比较高,反之,则不适合。
垃圾回收的常见算法

2.4.1 jvm中年轻代内存空间

垃圾回收的常见算法
1、在gc开始的时候,对象只会存在于eden区和名为“from”的survivor区,survivor区“to”是空的。
2、紧接着进行gc,eden区中所有存活的对象都会被复制到“to”,而在“from”区中,仍存活的对象会根据它们的年龄值来决定去向。年龄达到一定值(年龄阀值,可以通过-xx:maxtenuringthreshold来设置)的对象会被移动到年老代中,没有达到阀值的对象会被复制到“to”区域。
3、经过这次gc后,eden区和from区已经被清空。这个时候,“from”和“to”会交换他们的角色,也就是新的“to”就是上次gc前的“from”,新的“from”就是上次gc前的“to”。不管怎样,都会保证名为to的survivor区域是空的。
4、gc会一直重复这样的过程,直到“to”区被填满,“to”区被填满之后,会将所有对象移动到年老代中。

2.4.2 优缺点

优点 :
	1、在垃圾对象多的情况下,效率较高。
	2、清理后,内存无碎片。
缺点 :
	1、在垃圾对象少的情况下,不适用,如 :老年代内存。
	2、分配的2块内存空间,在同一时刻,只能使用一半,内存使用率较低。

2.5 分代算法

前面介绍了很多种回收算法,每一种算法都有自己的优点也有缺点,谁都不能替代谁,所以根据垃圾回收对象的特点进行选择,才是明智的选择。
分代算法其实就是这样的,根据回收对象的特点进行选择,在jvm中,年轻代适合使用复制算法,老年代适合使用标记清除或标记压缩算法。

3 垃圾收集器以及内存分配

在jvm中,实现了多种垃圾收集器,包括 :串行垃圾收集器、并行垃圾收集器、cms(并发)垃圾收集器、g1垃圾收集器。

3.1 串行垃圾收集器

串行垃圾收集器,是指使用单线程进行垃圾回收,垃圾回收时,只有一个线程在工作,并且java应用中的所有线程都要暂停,等待垃圾回收的完成。这种现象称之为stw (stop-the-world)
对于交互性较强的应用而言,这种垃圾收集器是不能够接受的。
一般在javaweb应用中是不会采用该收集器的。

3.1.1 编写测试代码

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3.1.2 设置垃圾回收为串行收集器

在程序运行参数中添加2个参数,如下 :
	-xx:+useserialgc : 指定年轻代和老年代都使用串行垃圾收集器
	-xx:+printgcdetails : 打印垃圾回收的详细信息
为了测试gc,将堆的初始和最大内存都设置为16m
-xx:+useserialgc -xx:+printgcdetails -xms16m -xmx16m
启动程序,可以看到下面信息 :

垃圾回收的常见算法

gc日志信息解读 :
年轻代的内存gc前后的大小 :
	defnew : 表示使用的是串行垃圾收集器。
	allocation failure : 表示内存分配失败。
	4416k -> 512k(4928k) : 表示,年轻代gc前,占有4416k内存,gc后,占有512k内存,总大小4928k。
	0.0046102 secs : 表示gc所用的时间,单位为毫秒。
	4416k->1973k(15872k) : 表示,gc前,堆内存占有4416k,gc后,占有1973k,总大小为15872k。
	full gc :表示,内存空间全部进行gc

3.2 并行垃圾收集器

并行垃圾收集器在串行垃圾收集器的基础之上做了改进,将单线程改为了多线程进行垃圾回收,这样可以缩短垃圾回收的时间。(这里是指,
并行能力较强的机器)
当然了,并行垃圾收集器在收集的过程中也会暂停应用程序,这个和串行垃圾回收器是一样的,只是并行执行,速度更快些,暂停的时间
更短一些。

3.2.1 parnew垃圾收集器

parnew垃圾收集器是仅仅工作在年轻代上,只是将串行的垃圾收集器改为了并行。
通过-xx:+useparnewgc参数设置年轻代使用parnew回收器,老年代使用的依然是串行收集器。		

垃圾回收的常见算法
参数 :
-xx:+useparnewgc -xx:+printgcdetails -xms16m -xmx16m
打印出的信息
垃圾回收的常见算法
由以上信息可以看出,parnew : 使用的是parnew收集器。其他信息和串行收集器一致。

3.2.2 parallelgc垃圾收集器

parallelgc收集器工作机制和parnewgc收集器一样,只是在此基础之上新增了两个和系统吞吐量相关的参数,使得其使用起来更加的灵
活和高效。
相关参数如下 :
	-xx:+useparellelgc
		年轻代使用parallelgc垃圾回收器,老年代使用串行回收器。
	-xx:+useparalleloldgc
		年轻代使用parallelgc垃圾回收器,老年代使用paralleloldgc垃圾回收器。
	-xx:maxgcpausemillis
		设置最大的垃圾收集时的停顿时间,单位为毫秒。
		需要注意的是,parallelgc为了达到设置的停顿时间,可能会调整堆大小或其他的参数,如果堆的大小设置的较小,就会导致gc工作
		变的很频繁,反而可能会影响到性能。
		该参数使用需谨慎。		
	-xx:+gctimeratio
		设置垃圾回收时间占程序运行时间的百分比,公式为1/(1 + n)。
		它的值为0 ~ 100之间的数字,默认值是99,也就是垃圾回收时间不能超过1%。
	-xx:useadaptivesizepolicy
		自适应gc模式,垃圾回收器将自动调整新生代、老年代等参数,达到吞吐量、堆大小、停顿时间之间的平衡。
		一般用于,手动调整参数比较困难的场景,让收集器自动进行调整。			

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参数 :
	-xx:+useparallelgc
	-xx:+useparalleloldgc
	-xx:maxgcpausemillis=100
	-xx:+printgcdetails
	-xms16m
	-xmx16m			

垃圾回收的常见算法
有以上信息可以看出,年轻代和老年代都使用了parallelgc垃圾回收器。

3.3 cms垃圾收集器

cms全称concurrent mark sweep,是一款并发的、使用标记-清除算法的垃圾回收器,该回收器是针对老年代垃圾回收的,通过参数-xx:+
useconcmarksweepgc进行设置。
cms垃圾回收器的执行过程如下 :

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初始化标记(cms-initial-mark),标记root,会导致stw;
并发标记(cms-concurrent-mark),与用户线程同时运行;
预清理(cms-concurrent-preclean),与用户线程同时运行;
重新标记(cms-remark),会导致stw;
并发清除(cms-concurrent-sweep),与用户线程同时运行;
调整堆大小,设置cms在清理之后进行内存压缩,目的是清理内存中的碎片;
并发重置状态等待下次cms的触发(cms-concurrent-reset),与用户线程同时运行;

3.3.1 测试

设置启动参数
-xx:+useconcmarksweepgc -xx:+printgcdetails -xms16m -xmx16m

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由以上日志信息,可以看出cms执行的过程。

3.4 g1垃圾收集器(重点)

g1垃圾收集器是在jdk1.7中正式使用的全新的垃圾收集器,oracle官方计划在jdk9中将g1变成默认的垃圾
收集器,以替代cms。
g1的设计原则就是简化jvm性能调优,开发人员只需要简单的三步即可完成调优 :
	1. 第一步,开启g1垃圾收集器
	2. 第二步,设置堆的最大内存
	3. 第三部,设置最大的停顿时间
g1中提供了三种模式垃圾回收模式,young gc、mixed gc和full gc,在不同的条件下被触发。

3.4.1 原理

g1垃圾收集器相对比其他收集器而言,最大的区别在于它取消了年轻代、老年代的物理划分,取而代之的是将堆划分为若
干个区域(region),这些区域中包含了有逻辑上的年轻代、老年代区域。
这样做的好处就是,我们再也不用单独的空间对每个代进行设置了,不用担心每个代内存是否足够。	

垃圾回收的常见算法
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在g1划分的区域中,年轻代的垃圾收集依然采用暂停所有应用线程的方式,将存活对象拷贝到老年代或者survivor空间,g1
收集器通过将对象从一个区域复制到另外一个区域,完成了清理工作。
这就意味着,在正常的处理过程中,g1完成了堆的压缩(至少是部分堆的压缩),这样也就不会有cms内存碎片问题的存在了。

在g1,有一个特殊的区域,叫humongous区域。
	如果一个对象占用的空间超过了分区容量50%以上,g1收集器就认为这是一个巨型对象。
	这些巨型对象,默认直接会被分配在老年代,但是如果它是一个短期存在的巨型对象,就会对垃圾收集器造成影响。
	为了解决这个问题,g1划分了一个humongous区,它用来专门存放巨型对象。如果一个h区装不下一个巨型对象,那么g1
	会寻找连续的h分区来存储。为了能找到连续的h区,有时候不得不启动full gc。	

3.4.2 young gc

young gc主要是对eden区进行gc,它在eden空间耗尽时会被触发。
eden空间的数据移动到survivor空间中,如果survivor空间不够,eden空间的部分数据会直接晋升到年老代空间。
survivor区的数据移动到新的survivor区中,也有部分数据晋升到老年代空间中。
最终eden空间的数据为空,gc停止工作,应用线程继续执行。
垃圾回收的常见算法
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3.4.2.1 remembered set(已记忆集合)

在gc年轻代的对象时,我们如何找到年轻代中对象的根对象呢?
根对象可能是在年轻代中,也可以在老年代中,那么老年代中的所有对象都是根么?
如果全量扫描老年代,那么这样扫描下来会耗费大量的时间。
于是,g1引进了rset的概念。它的全称是remenbreed set,其作用是跟踪指向某个堆内的对象引用。

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每个region初始化时,会初始化一个rset,该集合用来记录并跟踪其它region指向该region中对象的引用,每个region默认
按照512kb划分成多个card,所以rset需要记录的东西应该是xx region的xx card。	
每个rset集合就是记录每个region中对象被引用的信息。这样寻找根对象时直接扫描rset集合就行。

3.4.3 mixed gc

当越来越多的对象晋升到老年代old region时,为了避免堆内存被耗尽,虚拟机会触发一个混合的垃圾收集器,即mixed gc,
该算法并不是一个old gc,除了回收整个youngregin,还会回收一部分的old region,这里需要注意 :是一部分老年代,而
不是全部老年代,可以选择那些old region进行收集,从而可以对垃圾回收的耗时时间进行控制。也要注意的是mixed gc并不是
full gc。
mixed gc什么时候触发?由参赛-xx:initiatingheapoccupancypercent=n 决定。默认 :45%,该参数的意思是 :当老年代大小
占整个堆大小百分比达到该阀值时触发。
它的gc步骤分2步 :
	1 . 全局并发标记(global concurrent marking)
	2 . 拷贝存活对象(evacuation)

3.4.3.1 全局并发标记

全局并发标记,执行过程分为五个步骤 :
	初始标记(initial mark,stw)
		标记从根节点直接可达的对象,这个阶段会执行一次年轻代gc,会产生全局停顿。
	根区域扫描(root region scan)
		g1 gc在初始标记的存活区扫描对老年代的引用,并标记被引用的对象。
		该阶段与应用程序(非stw)同时运行,并且只有完成该阶段后,才能开始下一次stw年轻代垃圾回收。
	并发标记(concurrent marking)		
		g1 gc在整个堆中查找可访问的(存活的)对象。该阶段与应用程序同时运行,可以被stw年轻代垃圾回收中断。
	重新标记(renark,stw)
		该阶段是stw回收,因为程序在运行,针对上一次的标记进行修正。
	清除垃圾(cleanup,stw)
		清除和重置标记状态,该阶段会stw,这个阶段并不会实际上去做垃圾的收集,等待evacuation	阶段来回收。

3.4.3.2 拷贝存活对象

evacuation阶段是全暂停的。该阶段把一部分region里的活对象拷贝到另一部分region中,从而实现垃圾的回收清理。

3.4.4 g1收集器相关参数

-xx:+useg1gc
	使用g1垃圾收集器
-xx:maxgcpausemillis
	设置期望达到的最大gc停顿时间指标(jvm会尽力实现,但不保证达到),默认值是200毫秒。
-xx:g1heapregionsize=n
	设置的g1区域的大小。值时2的幂,范围是1mb到32mb之间。目标是根据最小的java堆大小划分出约2048个区域。
	默认是堆内存的1/2000。
-xx:concgcthreads=n
	设置并行标记的线程数。将n设置为并行垃圾回收线程数(parallelgcthreads)的1/4左右。
-xx:initiatingheapoccupancypercent=n
	设置触发标记周期的java堆占有率阀值。默认占用率是整个java堆的45%。

3.4.5 测试

-xx:+useg!gc -xx:maxgcpausemillis=100 -xx:+printgcdetails -xmx256m

垃圾回收的常见算法
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3.4.6 对于g1垃圾收集器优化建议

年轻代大小
	避免使用-xmn选项或-xx:newratio等其他相关选项显示设置年轻代大小。
	固定年轻代的大小会覆盖暂停时间目标。
暂停时间目标不要太过严苛
	g1 gc的吞吐量目标是90%的应用程序时间和10%的垃圾回收时间。
	评估g1 gc的吞吐量时,暂停时间目标不要太严苛。目标太多严苛表示您愿意承受更多的垃圾回收开销,而这会直接影响到吞吐量。

4 可视化gc日志分析工具

4.1 gc日志输出参数

前面通过-xx:+printgcdetail可以对gc日志进行打印,我们就可以在控制台查看,这样虽然可以查看gc的信息,但是并不直观,可以借助于
第三方的gc的日志分析工具进行查看。

在日志打印输出设计到的参数如下 :	
	-xx:+printgc 输出gc日志
	-xx:+printgcdetails 输出gc的详细日志
	-xx:+printgctimestamps 输出gc的时间戳(以基准时间的形式)
	-xx:+printgcdatestamps 输出gc的时间戳(以日期的形式,如2013-05-04t21:53:59.234+0800)
	-xx:+printheapatgc 在进行gc的前后打印出堆的信息
	-xloggc:../logs/gc.log 日志文件的输出路径
测试 :
	-xx:+useg1gc -xx:maxgcpausemillis=100 -xmx256m -xx:+printgcdetails
	-xx:+printgctimestamps -xx:+printgcdatestamps -xx:+printheapatgc
	-xloggc:f://test//gc.log
运行后就可以在f盘下生成gc.log文件。			

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4.2 gc easy可视化工具

gc easy是一款在线的可视化工具,易用、功能强大,网站 :https://gceasy.io/	

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这个是显示jvm堆的总大小、年轻代大小、老年代大小。
垃圾回收的常见算法
这个是显示gc停顿时间和吞吐率
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各个gc执行情况
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