Java 垃圾收集


标记-清除垃圾收集的介绍还仅仅停留在理论上,实际应用中,为了适应现实场景和需要,很多地方需要做调整。下面我们举个简单的例子,来看看 JVM 需要做些什么工作,才能让我们安全的给对象分配空间。


碎片和整理(Fragmenting and Compacting)

一旦清除工作开始,JVM 必须确保不可达对象占用的内存空间可以被重新使用。这会导致内存碎片,和硬盘碎片类似,又会导致下面 2 个问题:

  • 写操作更加耗时,因为寻找下一块足够大的可用空间所需时间变长了。
  • 由于创建新对象时,JVM 会分配连续的内存块,因此,如果碎片化严重到没有任何一块碎片能够容纳新创建的对象,内存分配就报错了。

为了避免这些问题,JVM 需要控制内存碎片化的程度。因此,在垃圾收集时,除了标记-清除对象外,一个去碎片化整理任务也在进行,它为可达对象重新分配空间,使它们紧挨在一起,消除(或减轻)碎片化,效果如下图所示。

碎片化的堆 vs 整理后的堆


分代假设(Generational Hypothesis)

我们以前提过,垃圾收集时必须完全暂停应用。很明显,应用中对象越多,垃圾收集的时间越长。但是,如果可以在更小的内存区域做垃圾收集会咋样呢?在研究这些可能性时,一组研究人员发现,应用中分配的大多数对象可落入下面 2 类:

  • 大部分很快就不用了;
  • 小部分对象通常会存活(很)长时间。

这些发现催生了弱分代假设。而基于这个假设,JVM 中的内存被划分成了年轻代老年代

有了这样各自独立的清理区域,以前为了改进垃圾收集性能的众多算法都能派上用场了。

并不是说这个方法就没有问题。比如,不同代中的对象可能会各自持有对方的引用。当 JVM 在某代执行垃圾收集时,这些对象也是事实上的根对象。 更重要的是,分代假设在某些应用中实际上就不成立。因为垃圾收集算法为死的早可能永生的对象做了优化,所以,JVM 对介于这两者之间的对象的处理表现的相当差

object-age-based-on-GC-generation-generational-hypothesis


内存池(Memory Pools)

大家应该很熟悉下面的内存池分区图,只是不太清楚垃圾收集在不同的内存池上是如何工作的。注意,不同的回收算法实现细节可能不一样,但文中提到的概念依然是相同的。

java-heap-eden-survivor-old

伊甸区(Eden)

伊甸区是通常创建对象时的内存分配区域。一般情况下,JVM 中会有多个线程同时创建大量的对象,因此伊甸区中又进一步划分出一个或多个线程本地分配缓存(TLAB),这样各线程可以在自身的 TLAB 中直接分配对象,而不需要与其他线程进行昂贵的同步操作。

当 TLAB 中因空间不足而不能分配对象时,JVM 就会转到共享的伊甸区中分配对象。如果共享伊甸区也空间不足时,会触发年轻代的垃圾收集任务释放空间。如果垃圾收集之后,伊甸区空间依然不足,那么 JVM 会从老年代分配对象。

伊甸区进行垃圾收集时,垃圾收集器从根对象遍历所有可达对象并标记它们为存活状态。上文我们说过,对象可能会在不同的代之间交叉引用,那么一个很直接的方法就是检查所有其他代中的对象到伊甸区的引用,但这样做很不幸地偏离了我们内存分代的初衷。JVM 耍了技巧:卡片标记。本质上来说,JVM 只是标记那些从老年代可能有指向它们的脏对象在伊甸区的大概位置,详情参见这里

TLAB-in-Eden-memory

标记阶段完成后,所有的存活对象会被复制(不是移动)到其中一个存活区,之后整个伊甸区完全空闲,可以再次进行对象分配。这种方法就是标记-复制:标记存活对象,然后拷贝到存活区

存活区(Survivor Spaces)

紧靠着伊甸区的就是 2 个存活区了,角色分别为fromto。必须要注意的是,to总是空闲的。下一次年轻代垃圾收集时,年轻代中所有的存活对象(包括伊甸区和非空from存活区)将被复制到存活区to中。垃圾收集结束后,from空闲,to中含有存活对象,此时,它们的角色将被互换,from成为toto变成from

how-java-garbage-collection-works

2 个存活区之间复制存活对象的过程会被重复好几次,直到有些对象被认为已经成熟并且足够年长。记住,基于分代假设,已存活一段时间的对象被期望继续存活很长的时间。这样年长的对象就可以被提升到老年代中去。年长对象会从存活区 from移动到老年代,而不再复制到存活区 to中。

为了确定一个对象是否足够年长因而可以被提升到老年代,垃圾收集器会跟踪一个对象经历的垃圾回收次数,也就是对象年龄。当年龄达到一个阀值,这个对象就会被提升到老年代

JVM 可以动态调整实际的年龄阀值,参数-XX:+MaxTenuringThreshold设置阈值上限。

比如,设置-XX:+MaxTenuringThreshold=0的结果就是对象直接从存活区提升到老年代,而不会在 2 个存活区之间来回复制。默认情况下,现代 JVM 的年龄阀值为 15,这也是 HotSpot 虚拟机的最大值。

如果存活区没有足够的空间容纳年轻代中所有的存活对象,那么年轻对象也有可能提前被提升到老年代

老年代(Old Generation)

老年代中的情况更加复杂。由于老年代内存空间通常更大,里面的对象不太可能需要被垃圾回收,因此,垃圾收集的频率要低于年轻代。并且,由于老年代中的大部分对象被期望一直存活着,这里不会发生标记-复制对象,取而代之的是,移动它们来最小化碎片程度。清理老年代的垃圾收集算法通常建立在不同的基础之上,但总体步骤类似:

  1. 标记从根对象开始的可达对象;
  2. 删除所有不可达对象;
  3. 通过复制存活对象的方式整理老年代内存空间。

通过上面的描述,你可以看出,老年代必须显式的做内存整理来减轻碎片化的程度。

永久代(PermGen)

Java 8 之前的 JVM 中还有一个叫永久代的内存区。这里存放像Class这样的元数据,还有内部池化的字符串等等。它实际上给 Java 开发者带了了很多麻烦,因为很难预测它到底需要占用多少内存空间,而如果预测失败,就会出现java.lang.OutOfMemoryError: Permgen space这样的异常。除非是由于内存泄露导致的OOME,否则一般消除这个异常的方法就像下面的示例一样,只要简单的增加永久代最大内存空间阀值。

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java -XX:MaxPermSize=256m com.mycompany.MyApplication

元数据区(Metaspace)

由于预测元数据所需空间大小的复杂性和不便性,Java 8中移除了永久代,代之以元数据区,从此以后,大部分繁杂的东西都转移到了常规的 Java 堆中。

类定义现在被加载到元数据区。它位于操作系统原生内存区上,并不和 Java 堆上的对象打交道。元数据区的默认大小只受限于操作系统给 Java 进程分配的内存大小,这样就不会出现开发者仅仅是想在应用中增加一个类而导致OOME:Permgen space异常了。但是要注意,元数据区大小不受限于 Java 堆并不是没有代价的,无限制的增长会导致操作系统频繁的页交换和(或)代之以系统内存分配失败。

假如你想在这种场合下保护自己,你可以主动设置元数据区的最大空间阈值,比如 256M:

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java -XX:MaxMetaspaceSize=256m com.mycompany.MyApplication

Minor GC vs Major GC vs Full GC

清理不同堆内区域的垃圾收集事件常常被叫做Minor GCMajor GCFull GC。下面我们来看看它们的区别,在这个过程中,我们希望能看到这个区别实际上对我们来说并不是太有意义。一般情况下,有意义的是你的应用有没有达到它的服务等级协议(SLA)、应用的延迟和吞吐量。此时垃圾收集才会和结果相关:它们有没有暂停应用和需要暂停多久。

但是,由于Minor GCMajor GCFull GC这些术语被广泛使用,并且没有一个适当的定义,让我们更详细的深入这个主题来看看。

Minor GC

年轻代中的垃圾收集叫Minor GC。这个定义很清楚且达成了共识。但是,当你在涉及Minor GC时,下面这些小知识点必须要清楚。

  1. Minor GC总是在 JVM 不能给新对象分配空间时触发,比如,伊甸区满了。因此,对象分配越频繁,Minor GC频率越高。
  2. Minor GC时,老年代实际上是被忽略的。在标记阶段,从老年代年轻代的引用被认为是根对象,而年轻代老年代的引用被简单的无视了。
  3. 与常识相悖的是,Minor GC会暂停应用,挂起应用线程。对大多数应用来说,如果伊甸区中的大部分对象都是垃圾且永远不用复制到存活区老年区,那么暂停的时间是很轻微的,可以忽略。反之,如果大部分新生对象不能被垃圾收集,那么Minor GC会暂停相当的一段时间。

好了,定义Minor GC很简单:Minor GC清理年轻代

Major GC vs Full GC

不管是在 JVM 规范还是在垃圾收集的研究论文中,这两个术语都没有被正式的定义。乍一看,基于我们对Minor GC清理年轻代的理解,可以简单定义它们:

  • Major GC清理老年代
  • Full GC清理整个 Java 堆,包括年轻代老年代

不幸的是,这更复杂和令人困惑。首先,很多Major GC 是被Minor GC触发的,因此割离它们两个在很多情况下是不可能的。另一方面,现代垃圾收集算法,比如 G1,会执行部分清理,因此,说清理只说对了一部分。

这让我们与其担心垃圾收集叫Major GCFull GC,我们更该关心的是垃圾收集时,是挂起了全部的应用线程还是可以和应用线程并发执行。

原文地址:Garbage Collection in Java


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