Java的GC機制及算法

GC的階段 

對每個對象而言，垃圾回收分為兩個階段：finalization和reclamation。 

• finalization: 指運行這個對象的finalize的方法。
• reclamation: 回收被這個對象使用的內存。

GC的過程的基本步驟 

• 首先確認對象是不可達的，即將被回收。
• 其次，如果對象有finalize方法，那么對象被添加進finalization queue中；然后在某個時間點finalize方法被調用以釋放finalize中的資源。
• 最后，回收對象占用的內存。

關於finalize方法的問題 

• finalize方法使得GC過程做了更多的事情，增加的GC的負擔。
• 如果某個對象的finalize方法運行時間過長，它會使得其他對象的finalize方法被延遲執行。
• finalize方法中如果創建了strong reference引用了其他對象，這會阻止此對象被GC。
• finalize方法有可能以不可確定的順序執行（也就是說要在安全性要求嚴格的場景中盡量避免使用finalize方法）。
• 不確保finalize方法會被及時調用，也許程序都退出了，但是finalize方法還沒被調用。

對象引用的類型 

• Reference(or named Strong Reference)（ 強引用）：普通類型的引用。
• SoftReference（ 軟引用）：被這種引用指向的對象，如果此對象沒要再被其他Strong Reference引用的話，可能在任何時候被GC。雖然是可能在任何時候被GC，但是通常是在可用內存數比較低的時候，並且在程序拋出OutOfMemoryError之前才發生對此對象的GC。SoftReference通常被用作實現Cache的對象引用，如果這個對象被GC了，那么他可以在任何時候再重新被創建。另外，根據JDK文檔中介紹，實際JVM的實現是鼓勵不回收最近創建和最近使用的對象。SoftReference 類的一個典型用途就是用於內存敏感的高速緩存。
• WeakReference（弱引用）：如果一個被WeakReference引用的對象，當沒要任何SoftReference和StrongReference引用時，立即會被GC。和SoftReference的區別是：WeakReference對象是被eagerly collected，即一旦沒要任何SoftReference和StrongReference引用，立即被清楚；而只被SoftReference引用的對象，不回立即被清楚，只有當內存不夠，即將發生OutOfMemoryError時才被清除，而且是先清除不常用的。SoftReference適合實現Cache用。WeakReference 類的一個典型用途就是規范化映射（ canonicalized mapping ）
• PhantomReference（虛引用）：當沒有StrongReference，SoftReference和WeakReference引用時，隨時可被GC。通常和ReferenceQueue聯合使用，管理和清除與被引用對象（沒有finalize方法）相關的本地資源。

衡量GC的指標（GC Metrics） 

• Throughput（吞吐量）：所有沒有花在執行GC上的時間占總運行時間的比重。
• Pauses（暫停）：當GC在運行時程序的暫停次數。或者是在感興趣的暫停次數中，暫停的平均時長和最大時長。
• Footprint（足跡？）：當前使用的堆內存大小。
• Promptness（及時性）：不再使用的對象多久能被清除掉並釋放其內存。

通用GC算法 
Java所使用的所有的GC算法都是通用GC算法概念的變種。 
通用GC算法的假設： 

• 最近創建的對象很可能很快就不可達了（unreachable，即可被回收了），比如方法內部聲明的本地變量，當程序運行出了本地變量的作用范圍后，本地變量引用的對象就很快不可達了。
• 一個對象保持可達（reachable）的越久就越不可能被回收。

在Java GC中，對象被划分為generations（代）或spaces（空間）。Java把對象分為young（年輕代），tenured（年老代）和perm（永久代）。在GC過程中，對象從一個space（空間）移動到另一個space。 
Object Spaces（對象空間） 

• Young：年輕代中保存着剛創建的對象，這個代中的對象能夠“minor” or “major” 收集中被回收。
• Tenured：年老代中保存着從年輕代中幸存下來的對象，只能夠在“major”中被回收。
• Perm：永久代中保存着JVM所需的對象，比如Class對象和Method對象，以及他們的字節碼和內部字符串等。對Perm中的對象GC意味着所有的Class都被卸載了。

每塊空間的大小由當前的對內存大小決定，並且能夠在運行時改變。每個空間之間的關系如下圖所示： 
 

Young Spaces（年輕空間） 

• Eden space：存儲自從上次GC完畢之后新創建的對象，除了屬於Perm的對象。當minor collection發生時，Eden space中的對象或者GC清理掉，或者被移到survivor space。
• Survivor spaces：這個空間中存儲的是自從上次GC幸存下來的young object。在minor GC中，這些對象或者被GC清理掉，或者被移到另外一個survivor空間中。

Minor collections和Major collections 

• Minor collection當young space被占滿時執行。它比major collections快，因為minor collection僅僅檢查major collection相應的一個子集對象。minor collection比major collection發生的頻率高。
• Major collection當tenured space被占滿時執行。他會清理tenured和young。

GC運行的三種方式 
在java5和java6中有4中垃圾回收的算法，有一種算法將不再支持，剩余的三種垃圾回收算法是：serial,throughput and concurrent low pause。 

• Stop the world（停止所有程序的方式）：在這種方式運行的GC，在GC完成前，JVM中的所有程序都不允許運行。Serial collector此時做minor和major收集。Throughput collector此時做major collector。
• Incremental（增量運行方式）：目前沒要Java GC算法支持這種運行方式。GC以這種方式運行時，GC允許程序做一小段時間的工作，然后做垃圾回收工作。
• Concurrent（並行運行）：Throughput collector此時做minor collect，Concurrent low pause collector此時做minor和major收集。在這種運行方式下，GC和程序並行的運行，因此程序僅僅被短暫的暫停。

GC算法 

• Serial算法: 使用-XX:+UseSerialGC開啟此算法的GC。GC使用和應用程序相同的線程去做minor collection和major collection。
• Throughput：使用-XX:+UseParallelGC開啟此算法GC。GC使用多線程去做minor collection以減少程序停止的時間。但是對於major collection，還是使用同程序相同的線程去做。當具有多核cpu時，並且程序有大量的短生命周期的對象時，並且對程序停頓時間不限制時較好。
• Concurrent Low Pause: 使用-XX:+UseConcMarkSweepGC開啟此算法GC。使用多線程去做minor和major collection。當具有多核cpu，並且程序有大量的長生命周期的對象，並且對程序停頓時間有限制時，效果較好。

什么時候發生GC 
GC發生的時刻受堆內存大小的影響。如果堆內存小，GC會執行的很快，但是又會很快的被填滿，因此GC比頻繁；如果堆內存很大，GC會執行的較慢，而且不會很快被填滿，因此執行的比較頻率比較低。 

基本的GC調試 
throughput goal -XX:GCTimeRatio=n： 表示花費總時間百分之多少的CPU時間去運行程序。 
maximum pause time goal -XX:MaxGCPauseMillis=n：每次GC時程序暫停最多多少毫秒。 
footprint goal：如果其他目標都達到了，那么首先減少heap size，直到前兩個goal不再滿足，然后再慢慢增加。直到滿足前面兩個goal。 
-Xms=n (starting) and -Xmx=n (maximum) heap size，這兩個參數應該都很熟悉，就是JVM使用的最小堆內存數和最大堆內存數。 
-XX:MinHeapFreeRatio=n, -XX:MaxHeapFreeRatio=n：最小和最大的空閑堆內存和被使用堆內存的比例。當空閑堆內存比例小於MinHeapFreeRatio時，內存空間開始擴展。當空閑堆內存比例大於MaxHeapFreeRatio時，內存空間開始減小。 
-XX:NewSize=n, -XX:MaxNewSize=n：默認的young space的大小（包括eden + survivor 1 + survivor 2）。 
-XX:NewRatio=n：young和tenured的比例。 
-XX:SurvivorRatio=n：每個survivor space 和 eden之間的比例。 
-XX:MaxPermSize=n：perm的最大size。 
-XX:TargetSurvivorRatio=n：每次GC之后幸存下來的空間的目標比例。 
-XX:+DisableExplicitGC：當此參數打開時，在程序中調用System.gc()將會不起作用。默認是off。 
-XX:+ScavengeBeforeFullGC：當打開此參數時，在每次major collection時先執行一次minor collection。默認打開。 
-XX:+UseGCOverheadLimit：當打開此參數時，如果總運行時間的98％的時間都在做GC，則拋出OutOfMemmoryError。默認打開。 

參考資料：http://java.ociweb.com/mark/other-presentations/JavaGC.pdf 

原文鏈接：http://blog.chinaunix.net/uid-7374279-id-4489100.html