垃圾回收，從JVM開始

來源：北大青鳥總部 2022年12月01日 10:21

摘要：所謂垃圾回收，指的是JVM釋放掉那些沒有引用對象做占用的內(nèi)存空間，給新的對象使用。

關(guān)于垃圾回收分類，相信大家還是比較有感觸的。自2020年5月1日起，北京公布了《北京市生活垃圾管理條例》，單位和居民不執(zhí)行垃圾分類將面臨處罰。在垃圾回收條例中，從之前的可回收垃圾、不可回收垃圾，升級為把垃圾明確分為了廚余垃圾、可回收垃圾、有害垃圾、其它垃圾四大類。每個人都要養(yǎng)成垃圾分類、垃圾回收的意識。事實上在互聯(lián)網(wǎng)程序的世界里也存在垃圾回收的概念，那便是我們中大型應(yīng)用開發(fā)必用、使用的應(yīng)用程序占比超過80%的開發(fā)語言JAVA了。

所有的Java程序都是運行在JVM（JAVAVirtualMachine，Java虛擬機）中的，在Java程序運行時，JVM會為每個對象創(chuàng)建一塊內(nèi)存，并維護管理這塊內(nèi)存。現(xiàn)在最新的JDK版本（JAVADevelopmentKit，Java開發(fā)工具包，JVM運行在JDK上）已到JDK13及以上了，因此通過下圖（JDK1.8）可以來看看JVM的內(nèi)存模型。在內(nèi)存模型中包含堆、虛擬機棧本地方法棧、方法區(qū)、程序計數(shù)器等等元素，堆主要用于存放所有的對象實例，實例創(chuàng)建后在此分配內(nèi)存；虛擬機棧是Java方法執(zhí)行的內(nèi)存模型，每個Java方法在執(zhí)行時都會同時創(chuàng)建一個棧幀，來存儲局部變量表、操作棧、動態(tài)鏈接、方法返回地址等；本地方法棧則是服務(wù)于虛擬機使用到的Native方法；方法區(qū)是存儲虛擬機加載的元數(shù)據(jù)信息；元數(shù)據(jù)區(qū)主要是存儲方法名、方法變量等元數(shù)據(jù)信息；程序計數(shù)器主要是指明當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼。因為Java對象主要在Heap堆區(qū)中運行，因此總的來說，JVM管控的內(nèi)存就是Heap內(nèi)存、Non-Heap內(nèi)存。

一個Java程序的執(zhí)行如下圖所示，通過編譯成class文件，調(diào)用JVM的類加載子系統(tǒng)，在內(nèi)存空間中創(chuàng)建對象、執(zhí)行對象，執(zhí)行結(jié)束后，進行對象的內(nèi)存回收，也就是垃圾回收（GarbageCollection）

所謂垃圾回收，指的是JVM釋放掉那些沒有引用對象做占用的內(nèi)存空間，給新的對象使用。參照垃圾分類的思想，在JVM中也會根據(jù)對象的存活周期將對象分代，包含年輕代、老年代、持久代，通過內(nèi)存分代，可以更好的執(zhí)行垃圾回收，提高效率。年輕代用來存儲最近新創(chuàng)建的對象，在年輕代中存在的對象死亡是非?？斓?，為了提高年輕代中的垃圾回收效率，年輕代又會劃分出Eden、Survivorfrom、Survivorto三個區(qū)域，年輕代的垃圾回收成為MinorGC；老年代用來存儲存活很久的對象，老年代的垃圾回收成為MajorGC；持久代存儲JVM運行時的需要的Java庫的類和方法，一般由Java廠商指定，在JDK1.8之后，改名為metaspace元空間。

在JVM中內(nèi)存回收過程大概如下：對象在年輕代EdenSpace創(chuàng)建，當(dāng)EdenSpace內(nèi)存空間滿的時候，垃圾回收器就把所有在EdenSpace中的對象都掃描一次，把有效的對象復(fù)制到第一個SurvivorSpace（即Survivorfrom），無效的對象所占用的空間進行釋放。當(dāng)EdenSpace再次變滿的時候，把EdenSpace中有效的對象移動到第二個SurvivorSpace（即Survivorto），同時第一個SurvivorSpace的數(shù)據(jù)也會移動到第二個SurvivorSpace。如果填充到Survivorto的對象被Survivorfrom或EdenSpace中的對象引用，那么系統(tǒng)會認(rèn)為它們生命周期比較長，就會把它們移動到老年代。經(jīng)過年輕代和老年代來來回回的新建、回收（MinorGC、MajorGC），不斷的釋放內(nèi)存給程序用，如果不能夠釋放足夠的內(nèi)存空間，就會執(zhí)行FullGC，把所有在堆中運行的線程清除。

那么年輕代和老年代又是使用什么算法進行垃圾回收的呢？在年輕代中使用的是復(fù)制-清除算法，所謂復(fù)制清除算法指的是在執(zhí)行MinorGC時，先將應(yīng)用程序掛起，將Eden和Survivorfrom中存活的對象復(fù)制到Survivorto當(dāng)中，然后清除掉Eden和Survivorfrom中的對象，MinorGC是很頻繁的。在老年代使用的是標(biāo)記-清除算法，在執(zhí)行MajorGC時，把對象標(biāo)記出來，然后清除掉，MajorGC是比較低頻的。值得注意的是在GC時會產(chǎn)生很多內(nèi)存碎片，如果有較大的對象要從年輕代進入老年代，但并不能找到合適的存儲空間時，也會觸發(fā)GC。

垃圾回收算法是在垃圾回收器中實現(xiàn)和運行的，在JDK廠商（包含OracleJDK、HPJDK、IBMJDK）中也提供了不同的垃圾收集器。對于年輕代實現(xiàn)分別是Serial收集器、ParallelScavenge收集器、ParNew收集器，在老年代中是SerialOld(Mark Sweep Compact)收集器、ParallelOld（PSMarkSweep）收集器、CMS（ConcurrentMarkSweep）收集器。

年輕代垃圾回收器中，Serial收集器是一種單線程收集器，使用單個GC線程進行垃圾回收，在垃圾回收時，將整個應(yīng)用程序掛起（stopthe world），然后復(fù)制-清除；ParallelScavenge是多線程收集器，使用多個GC線程進行垃圾回收；ParNew也是一種多線程回收器，使用多個GC線程回收，可以和CMS一起使用。老年代垃圾回收器中，SerialOld是一種單線程回收器，使用單個線程進行標(biāo)記-清除；ParallelOld是并行垃圾回收器，使用多個GC線程進行垃圾回收；CMS是并行標(biāo)記垃圾回收器，它的特點是垃圾回收算法在后臺不會暫停應(yīng)用線程并實現(xiàn)大部分多垃圾回收。年輕代和老年代垃圾回收器之間的關(guān)系關(guān)聯(lián)可以見下圖所示。

垃圾回收真不是一件容易的事情?。ava程序員可以通過開源免費的Jprofier、Jconsle等工具監(jiān)控垃圾回收情況，也可以使用付費的APM功能來進行監(jiān)控。在垃圾回收不正常時，可以運行參數(shù)設(shè)置JVM堆內(nèi)存大小、新生代、持久代空間。使用-Xms可以設(shè)置堆的最小空間，-Xmx可以設(shè)置堆堆最大空間，-XX:NewSize可以設(shè)置新生代最小空間，-XX:MaxNewSize可以設(shè)置新生代最大空間，-XX:PermSize可以設(shè)置永久代最小空間，-XX:MaxPermSize可以設(shè)置永久代最大空間，-Xss可以設(shè)置每個線程的堆棧大小。比如java-Xmx 10240m -Xms 10240m-Xmn5120m就設(shè)置了JVM最大可用內(nèi)存時10240M，初始化內(nèi)存也是10240M，年輕代內(nèi)存為5120M。