条件介绍
许多小伙伴，都跟我反馈，说自己总是对JVM这一块的学习和认识不行扎实也不行成熟，因为JVM的一些特性以及运作机制总是混淆以及不确定，导致面试和工作实战中出现了许多的纰漏和短板，处理广大小伙伴痛点，我写了本篇文章，希望能够帮助咱们夯实基础和锻造JVM技能功底。
什么是废物搜集（GC)
在JVM领域中GC（Garbage Collection）翻译为 “废物搜集“，Garbage Collector翻译为 “废物搜集器”。
分代模型(Generational Model)
咱们都知道在JVM中，履行废物搜集需求停止整个使用（STW）。目标越多则搜集一切废物消耗的时刻就越长。程序中的大多数可收回的内存可归为两类:
- 大部分目标很快就不再使用
- 还有一部分不会当即无用，但也不会继续(太)长期
这形成了分代数据模型。基于这一结构, VM中的内存被分为年青代(Young Generation)和老时代(Old Generation)，老时代有时分也称为年老区(Tenured)。如下所示。
从上图能够看出拆分为这样两个可收拾的单独区域，答应采用不同的算法来大幅进步GC的性能。
分代模型出现问题
在不同分代中的目标可能会互相引证, 在搜集某一个分代时就会成为 “事实上的” GC root。当然，要着重强调的是，分代假定并不适用于一切程序。
分代模型适合场景
GC算法专门针对“整体生命周期较短”，“整体生命周期较长” 这类特征的目标来进行优化, JVM对搜集那种存活时刻半长不长的目标就显得十分尴尬了，如下图目标分布。
堆内存中的内存池区分也是相似的。不太简单理解的当地在于各个内存池中的废物搜集是怎么运转的。
新生代(Eden,伊甸园)
Eden是内存中的一个区域， 用来分配新创建的目标。一般会有多个线程同时创建多个目标，所以Eden区被区分为多个线程本地分配缓冲区(Thread Local Allocation Buffer, 简称TLAB)。经过这种缓冲区区分，大部分目标直接由JVM 在对应线程的TLAB中分配, 防止与其他线程的同步操作。
假如 TLAB 中没有满足的内存空间, 就会在同享Eden区(shared Eden space)之中分配。假如同享Eden区也没有满足的空间, 就会触发一次 年青代GC 来开释内存空间。假如GC之后 Eden 区依然没有满足的闲暇内存区域, 则目标就会被分配到老时代空间(Old Generation)。
当Eden区进行废物搜集时，GC将一切从root可达的目标过一遍, 并符号为存活目标。
目标间可能会有跨代的引证，所以需求一种方法来符号从其他分代中指向Eden的一切引证。这样做又会遭受各个分代之间一遍又一遍的引证。JVM在完成时采用了卡片符号(card-marking)。
卡片符号
JVM只需求记住Eden区中 “脏”目标的粗略方位，可能有老时代的目标引证指向这部分区间。
存活区(Survivor Spaces)
Eden区的周围是两个存活区, 称为 from 空间和 to 空间。需求着重强调的的是, 恣意时刻总有一个存活区是空的(empty)。
空的那个存活区用于在下一次年青代GC时寄存搜集的目标。年青代中一切的存活目标(包括Edenq区和非空的那个 “from” 存活区)都会被仿制到 ”to“ 存活区。GC进程完成后, ”to“ 区有目标,而 ‘from’ 区里没有目标。两者的角色进行正好切换 。
存活的目标会在两个存活区之间仿制屡次，直到某些目标的存活时刻到达必定的阀值。分代理论假定, 存活超越必定时刻的目标很可能会继续存活更长期。
这类“ 年老” 的目标因而被进步(promoted )到老时代。进步的时分， 存活区的目标不再是仿制到另一个存活区,而是迁移到老时代, 并在老时代一直驻留, 直到变为不行达目标。
此外GC会跟踪记录每个存活区目标存活的次数，每次分代GC完成后，存活目标的年龄就会+1。当年龄超越进步阈值(tenuring threshold)，就会被进步到老时代区域。
MaxTenuringThreshold的判定
详细的进步阈值由JVM动态调整,但也能够用参数 -XX:+MaxTenuringThreshold来指定上限。假如设置 -XX:+MaxTenuringThreshold=0 , 则GC时存活目标不在存活区之间仿制，直接进步到老时代。现代 JVM 中这个阈值默许设置为15个GC周期。这也是HotSpot中的最大值。
老时代(Old Generation)
老时代内存空间一般情况下，里边的目标是废物的概率也更小。
老时代GC产生的频率比年青代小许多。同时, 因为预期老时代中的目标大部分是存活的, 所以不再使用符号和仿制(Mark and Copy)算法。而是采用移动目标的方法来完成最小化内存碎片。老时代空间的收拾算法一般是建立在不同的基础上的。原则上,会履行以下这些过程:
- 经过标志位(marked bit),符号一切经过 GC roots 可达的目标.
- 删除一切不行达目标
- 收拾老时代空间中的内容，方法是将一切的存活目标仿制,从老时代空间开始的当地,顺次寄存。
经过上面的描绘可知, 老时代GC有必要明确地进行收拾,以防止内存碎片过多。
永久代(PermGen)
Java8之前有一个特别的空间，称为“永久代”(Permanent Generation)。
它存储元数据(metadata)的当地,比方 class 信息等。此外,这个区域中也保存有其他的数据和信息, 包括内部化的字符串(internalized strings)等等。
元数据区(Metaspace)
Java 8直接删除了永久代(Permanent Generation)，改用Metaspace。将静态变量和字符串常量都放到其间。像类界说(class definitions)之类的信息会被加载到Metaspace 中。
元数据区位于本地内存(native memory)，不再影响到一般的Java目标。默许情况下, Metaspace的大小只受限于Java进程可用的本地内存。
常见的废物收回思想的误区
在咱们的日常日子中废物搜集首要便是找到废物并进行收拾，这与咱们JVM的运作机制恰恰相反，JVM中的废物搜集器跟踪和符号一切正在使用的目标，并把其余部分的目标作为废物目标。
所以这儿必定要区分清楚，咱们这儿的符号：是指符号可用目标，而不是废物目标。常常会有人吧这两者理解过错和混乱。
记住这一点今后，咱们再深入讲解内存主动收回的原理，探求JVM中废物搜集的详细完成。先从基础开始, 介绍废物搜集的一般特征、核心概念以及完成算法。
常见的废物收回类型
废物收回类型首要是经过收回的规模进行界定和区分。详细的JVM收回区域如下图所示。
Java8之前
Java8之后
废物搜集（Garbage Collection）一般分为：Minor GC – Major GC – Full GC 。接下来介绍这些事件及其差异，然后你会发现这些差异也不是特别明晰。
- Minor GC：年青代废物收回机制，归于轻量级GC，首要面向于年青代区域的废物目标进行收回。
- Major GC：老时代废物收回机制，归于重量级GC，首要面向于老时代区域的废物目标进行收回。
- Full GC：完全化GC，归于全量极GC，大致视点而言Major GC和Full GC差不多，其实详细剖析，FullGC的规模是面向于整体的Heap堆内存。
GC的优点和缺点（GC Benefits/Cost）
优点
- 进步体系的可靠性和稳定性
- 内存办理与程序设计的解耦
- 调试内存过错所花费的时刻更少
- 悬挂程序点/内存走漏不会产生
留意：Java程序没有内存走漏；“不意味着目标存储地址”更精确）
坏处
- GC暂停的时刻长度
- CPU/内存利用率
Minor GC
年青代内存的废物搜集称为Minor GC。那什么时分会触发MinorG以及动身MinorGC得我条件是什么？
触发MinorGC的时机
当JVM无法为新目标分配Eden区的内存空间时/到达了Eden寄存阈值的时分会触发 Minor GC，所以新目标分配频率越高，Minor GC的频率就越高。而且Minor GC每次都会引起全线中止(stop-the-world )，暂停一切的使用线程，对大多数程序而言,暂停时长基本上是能够忽略不计的。
MinorGC收回的瓶颈
Eden区的目标基本上都是废物，也不怎么仿制到Survior区/老时代。假如情况不是这样, 大部分新创建的目标不能被废物收收回拾掉，则 Minor GC的中止就会继续更长的时刻。
MinorGC收回的规模
Minor GC实际上忽略了老时代，首要面向的目标规模有两部分组成：
-
首要是面向于老时代到年青代的所引证的目标规模，例如，它会将从老时代指向年青代的引证都被认为是GC Root，（而从年青代指向老时代的引证在符号阶段悉数被忽略）。
-
首要面向的是Survior区之间的相互引证，此种场景的生命周期较短，归于年青代之内的目标之间的引证关系。
所以，Minor GC的界说很简单、收拾的便是年青代，如下图所示。
Major GC vs Full GC
从上面咱们知道了Minor GC收拾的是年青代空间(Young space)，相应的其他区域也有对应的收回机制和策略。
-
Major GC收拾的是老时代空间(Old space)，MajorGC是由Minor GC触发的，所以许多情况下这两者是不行分离的，G1这样的废物搜集算法履行的是部分区域废物收回。
-
Full GC收拾的是整个堆，包括年青代和老时代空间。
Minor GC、MajorGC和FullGC履行效果
大部分情况下，产生在年青代的Minor GC次数会许多，会引起STW，也便是大局化暂停履行事务线程的行为，可是时刻很短（简直能够忽略不计）。而Major GC和Full GC也会造成大局化暂停的效果。所以一般情况下尽可能减少MajorGC和FullGC是什么必要的，可是也不能“一棒子打死一船人”。必要的时分还是需求触发少量几回Major GC以及FullGC，从而开释一些RSS常驻内存。
废物搜集(GC)的原理
主动内存办理(Automated Memory Management)
假如要显式地声明什么时分需求进行内存办理，完成主动进行搜集废物，那样就太方便了，开发者不再消耗脑细胞去考虑要在何处进行内存收拾。运转时环境会主动算出哪些内存不再使用，并将其开释，历史上第一款废物搜集器是1959年为Lisp语言开发的。
引证计数(Reference Counting)
同享指针方法的引证计数法， 能够使用到一切目标。许多语言都采用这种方法，包括 Perl、Python 和 PHP 等。下图很好地展示了这种方法：
上图中所展示的GC ROOTS，表明程序正在使用的目标。首要（这儿指的不是悉数）会集在于当时正在履行的方法中的局部变量或者是静态变量等。在这儿首要我指的是Java。
- 蓝色的圆圈表明能够引证到的目标，里边的数字便是被引证计数器。
- 灰色的圆圈是各个效果域都不再引证的目标，能够被认为是废物，随时会被废物搜集器收拾。
循环引证（detached cycle）的问题
引证计数器无法针对于循环引证这种场景进行正确的处理和探测。任何效果域中都没有引证指向这些目标，但由于循环引证, 导致引证计数一直大于零，如下图所示。
- 赤色线路和赤色圆圈目标实际上归于废物引证以及废物目标，但由于引证计数的限制，所以存在内存走漏，永远都无法进行收回该区域的目标内存。
循环引证（detached cycle）的处理方案
比方说能够针对于一些这种循环模式进行加入到 “弱引证”(‘weak’ references)的体系中，所以即便无法进行处理循环引证计数的场景，也能够经过弱引证完成内存收回。
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