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階段1、深入多線程

階段2、深入多線程設(shè)計模式

階段3、深入juc源碼解析

階段4、深入jdk其余源碼解析

階段5、深入jvm源碼解析

一、簡介

我們在前兩章中，已經(jīng)講解了JVM垃圾回收的基本流程和對象存活判定的算法，但是，并沒有深入垃圾回收內(nèi)部的細(xì)節(jié)。本章，我們就深入垃圾回收的內(nèi)部，看看JVM到底是如何進(jìn)行對象內(nèi)存的回收的。

二、復(fù)制算法

復(fù)制算法，主要用于?新生代?中對象的回收。其基本思路就是：將新生代內(nèi)存按劃分為大小相等的兩塊，每次只使用其中的一塊，當(dāng)一塊內(nèi)存用完了，?將存活的對象移動到另外一塊上面?，然后在把已使用過的內(nèi)存空間一次清理掉。

2.1 算法流程

我們以示例代碼來看復(fù)制算法的執(zhí)行流程：

    public class Kafka {
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            loadReplicaFromDisk();
        }
    
        private static void loadReplicaFromDisk() {
            ReplicaManager replicaManager = new ReplicaManager();
            replicaManager.load();
        }
    }

假設(shè)程序執(zhí)行到replicaManager.load()，JVM的內(nèi)存數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下，其中“大量垃圾對象無人引用”表示其它程序產(chǎn)生的垃圾對象，此時新生代中用于分配對象內(nèi)存的區(qū)域也快滿了，再次為對象分配內(nèi)存時就會觸發(fā)“Minor GC”：

此時，一種最基本的思路就是，首先標(biāo)記出所有需要回收的對象，在標(biāo)記完成后統(tǒng)一回收所有被標(biāo)記的對象。但是這種方法問題也很明顯：?產(chǎn)生大量內(nèi)存碎片，導(dǎo)致后續(xù)需要為大對象分配空間時內(nèi)不足?。所以，JVM很少用這種方法，而是先將存活對象轉(zhuǎn)移到另一塊區(qū)域：

然后一次性把原來那塊內(nèi)存清空：

上述整個流程，就是所謂的復(fù)制算法：?把新生代劃分為兩塊內(nèi)存區(qū)域，只使用其中一塊，當(dāng)這塊快滿的時候，把存活對象一次性轉(zhuǎn)移到另一塊，保證沒有內(nèi)存碎片，然后清空原來那塊，依次循環(huán)往復(fù)?。

2.2 算法優(yōu)化

上述復(fù)制算法的缺點很明顯：即?對內(nèi)存的使用效率太低?。比如我們給新生代分配了1G內(nèi)存，那其實只有512MB是實際使用的，很浪費內(nèi)存空間。那么如何來優(yōu)化呢？

我們回顧下?新生代中對象的特點：朝生暮死，也就是說新生代的絕大多數(shù)對象在經(jīng)歷1次GC后就會被回收掉，存活率非常低。

根據(jù)這個特點，?HotSpot VM?采用了一種做法，把新生代區(qū)域劃分成了三塊：?1個Eden區(qū)（80%），2個Survivor區(qū)（各占10%）?，最開始，對象只在Eden進(jìn)行分配：

如果Eden區(qū)快滿了，此時觸發(fā)GC會將Eden區(qū)中的存活對象轉(zhuǎn)移到其中一塊Survivor中，同時清空Eden：

下一次再分配空間時，依然在Eden區(qū)分配，然后觸發(fā)GC，將Eden的存活對象和上一次使用的Survivor中的存活對象轉(zhuǎn)移到另一塊空白Survivor中，然后清空Eden和使用過的Survivor，循環(huán)往復(fù)。

這種內(nèi)存劃分方式的最大好處就是只有10%的空間是閑置的，無論是垃圾回收的性能、內(nèi)存碎片的控制、內(nèi)存使用率，都非常好。

三、標(biāo)記整理算法

通過前一節(jié)，大家應(yīng)該已經(jīng)了解了新生代的垃圾回收算法，本節(jié)我們就來看下老年代的垃圾回收算法——標(biāo)記整理算法。

3.1 何時進(jìn)入老年代

這里有一個問題，新生代的對象什么時候會進(jìn)入老年代？先給出一個結(jié)論，一共有五種情況：

• 新生代對象的年齡超過一定閾值（默認(rèn)15）；
• 動態(tài)年齡判斷
• 大對象直接分配
• Survivor區(qū)空間不足

年齡閾值

之前我們提到過，新生代中的對象每逃過一輪GC，年齡都會加1，到年齡達(dá)到15時（也可以通過JVM參數(shù)-XX:MaxTenuring Threshold設(shè)置），就會被轉(zhuǎn)移到老年代：

動態(tài)年齡判斷

動態(tài)對象年齡判斷的規(guī)則是： Survivor區(qū)的存活對象年齡從小到大進(jìn)行累加，當(dāng)累加到 X 年齡時的總和大于 Survivor區(qū)空間的50%時，那么比X大的對象都會晉升到老年代。

舉個例子，比如當(dāng)前Survivor區(qū)的分布如下，累加結(jié)果45%小于50%：

此時新生代GC后，有6%的對象進(jìn)入Survivor區(qū)，則Survivor區(qū)分布如下圖：

這時從1歲加到4歲的對象總和51% 大于50%，但此時沒有大于四歲的對象，即沒有對象晉升 。此時再經(jīng)過一次新生代GC后，又有40%的對象進(jìn)入Survivor區(qū)，Survivor區(qū)分布如下圖：

Survivor區(qū)的對象年齡從小到大進(jìn)行累加，當(dāng)累加到 3 年齡時的總和大于50%，那么比3大的都會晉升到老年代，即4歲的20%、5歲的20%晉升到老年代。

可以使用-XX:TargetSurvivorRatio來設(shè)置Survivor區(qū)空間的百分比，默認(rèn)值是50

大對象

對于一些大對象，JVM會直接將其分配到老年代。通過參數(shù)-XX:PretenureSizeThrehold，可以設(shè)置閾值，單位為字節(jié)。

JVM之所以要這么做，是為了避免新生代中出現(xiàn)屢次逃過GC的大對象，大對象在新生代的Eden和Survivor區(qū)的來回復(fù)制開銷比較大。

Survivor區(qū)空間不足

最后一種情況就是，Minor GC之后發(fā)現(xiàn)存活對象太多，沒法放入另一塊Survivor區(qū)域中，比如下面這種情況：

這時候就必須把這些對象全部遷移到老年代去：

3.2 空間分配擔(dān)保

前面討論了新生代的存活對象何時會轉(zhuǎn)移到老年代，那么問題又來了，如果老年代區(qū)域的內(nèi)存空間不足了怎么辦？這里就涉及了?空間分配擔(dān)保機(jī)制?。

所謂空間分配擔(dān)保，指在執(zhí)行任何一次Minor GC之前，JVM會檢查?老年代的最大連續(xù)可用空間?是否大于?新生代所有對象的總大小?：

如果大于，說明這次Minor GC肯定是安全的，因為老年代可以容納新生代中的所有對象；

如果小于，則 JVM 會查看-XX:HandlePromotionFailure參數(shù)值，這個參數(shù)值表示是否允許擔(dān)保失?。?/p>

• 如果允許（HandlePromotionFailure==true），則看下?老年代的最大連續(xù)可用空間?是否大于?歷次Minor GC后進(jìn)入老年代的對象平均大小?。如果大于，就進(jìn)行minior GC，如果這次Minior GC失敗了，就會進(jìn)行FULL GC（所謂FULL GC，就是既對老年代進(jìn)行垃圾回收，也對新生代進(jìn)行垃圾回收）；如果小于，先進(jìn)行FULL GC，再Minor GC。
• 如果不允許（HandlePromotionFailure==false），則直接觸發(fā)FULL GC，然后再進(jìn)行一次Minor GC。

如果經(jīng)過上面的操作，老年代可用空間最后發(fā)現(xiàn)還是不夠，就會導(dǎo)致所謂的OOM內(nèi)存溢出了。

總之，空間分配擔(dān)保機(jī)制的核心目的就是?避免頻繁FULL GC，能先預(yù)判就先預(yù)判?，實在不行才FULL GC，因為FULL GC的開銷非常大，既要對老年代進(jìn)行回收，也要對新生代進(jìn)行回收。

3.3 算法流程

了解了新生代對象何時進(jìn)入老年代，以及FULL GC的觸發(fā)時機(jī)，我們就可以來看下老年代的?標(biāo)記整理算法?的流程了。標(biāo)記整理算法，其實就是先標(biāo)記存活對象，然后將存活對象都向內(nèi)存端邊界移動，然后清理掉端邊界以外的內(nèi)存，這樣就可以避免出現(xiàn)大量內(nèi)存碎片。

我們通過示例來看下，假設(shè)JVM當(dāng)前的內(nèi)存狀態(tài)如下，老年代中散落著各種存活對象：

接著，會將存活對象都往內(nèi)存的一邊移動，讓它們盡量緊湊，然后一次性把垃圾對象清理掉：

四、線上示例

通過前兩節(jié)的講解，相信讀者已經(jīng)對新生代的復(fù)制算法、老年代的標(biāo)記整理算法有所了解，本節(jié)我們將通過一個生產(chǎn)系統(tǒng)的GC案例，讓大家更加透徹的理解JVM中如果進(jìn)行對象分配和老年代轉(zhuǎn)移，以及Minor GC和Full GC的全過程。

4.1 背景

假設(shè)現(xiàn)在生產(chǎn)環(huán)境有一套“數(shù)據(jù)計算系統(tǒng)”，不停地從MySQL等各類數(shù)據(jù)源提取數(shù)據(jù)到內(nèi)存中進(jìn)行計算，系統(tǒng)是分布式的。每個節(jié)點（機(jī)器）每分鐘執(zhí)行100次操作（提取數(shù)據(jù)并計算，每次操作耗時10s），每次操作1萬條數(shù)據(jù)，每條數(shù)據(jù)大小為1KB左右，那么每次數(shù)據(jù)的總大小就是10MB：

每臺機(jī)器的配置是4核8G，JVM分配4G內(nèi)存，其中新生代1.5G，老年代1.5G。

整個系統(tǒng)的初始背景大致就是上面這樣，下面來分析可能存在的各種問題。

4.2 頻繁Full GC

我們先來看下新生代的空間什么時候會被占滿，按照8：1：1來分配Eden和Survivor區(qū)，如下圖：

每執(zhí)行一次操作，Eden區(qū)就會填充10MB數(shù)據(jù)，一分鐘執(zhí)行100次操作就是1000MB，所以?Eden區(qū)基本上1分鐘左右就會被占滿?。再執(zhí)行操作時，就會進(jìn)行Minor以回收一部分的垃圾對象：

首先，檢查老年代的連續(xù)可用內(nèi)存空間是否足夠（即大于新生代中的所有存活對象大小），如下圖，老年代目前是空的，1.5G的可用內(nèi)存空間可以容納Eden區(qū)中的1.2G對象，所以會直接進(jìn)行Minor GC：

那么，?此時Eden區(qū)中有多少對象還是存活的呢？?之前說了每次操作耗時10s，那么在1分鐘內(nèi)的最后10s時，前面0-50s的任務(wù)已經(jīng)執(zhí)行完了，1分鐘操作100個任務(wù)，所以大約有1/6的任務(wù)還沒有執(zhí)行完畢，即大約還有20個任務(wù)在計算中（大約200MB對象存活）：

其實線上一般是通過GC日志去分析存活對象的大小的，GC日志中清楚的記錄了每次Minor GC進(jìn)入到老年代的對象大?。ê竺嫖覀儠敿?xì)講解如何看懂GC日志），根據(jù)我們的線上日志分析，大約也還有200MB對象是存活的。

注意，每一塊Survivor區(qū)的大小只有100MB，所以是無法容納200MB的存活對象的，所以會通過空間擔(dān)保機(jī)制，轉(zhuǎn)移到老年代中，并清空Eden區(qū)，此時JVM內(nèi)存空間結(jié)構(gòu)如下：

由于每分鐘老年代都被填充200MB存活對象，所以到第3分鐘結(jié)束時，老年代已經(jīng)有400MB空間被占滿，且Eden區(qū)也被占滿，此時如果要進(jìn)行Minor GC，會怎么樣呢？

首先，依然檢查老年代的連續(xù)可用內(nèi)存空間是否足夠（即大于新生代中的所有存活對象大?。?，此時發(fā)現(xiàn)空間是不夠的，老年代只有1.1GB可用，而新生代的所有對象大小有1.2GB。

此時，就會判斷是否開啟了空間擔(dān)保機(jī)制——即判斷HandlePromotionFailure是否為true，如果開啟了（一般生產(chǎn)環(huán)境都會開啟），就會看下歷代晉升到老年代的對象大小是否小于老年代可用空間，根據(jù)之前的計算，歷代晉升到老年代的對象大小約為200MB，小于1.1GB，所以JVM就會放心的進(jìn)行一次Minor GC，此時又有200MB對象進(jìn)入到老年代。

重復(fù)上述過程，大約經(jīng)過8分鐘，經(jīng)歷7次Minor GC后，JVM內(nèi)存空間結(jié)構(gòu)如下，此時老年代剩余可用空間大約100MB，Eden區(qū)已被占滿：

此時又會進(jìn)行Minor GC前的檢查，但是老年代的可用空間已經(jīng)比歷代晉升到老年代的對象空間小了，所以會?直接觸發(fā)一次Full GC?，將老年代中的垃圾對象回收（假設(shè)此時老年代中的對象全部都可回收）：

然后緊接著再進(jìn)行一次Minor GC，將Eden區(qū)中的200MB存活對象轉(zhuǎn)移到老年代：

按照上述這個模型，?基本上8分鐘左右就會觸發(fā)一次Full GC?，這個頻率對于生產(chǎn)環(huán)境是不可接受的，因為Full GC會嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能，這個后面章節(jié)我們會詳細(xì)講解。

4.3 優(yōu)化

那么該如何進(jìn)行優(yōu)化呢？最基本的思路就是?增加Survivor的內(nèi)存大小?，因為正是Survivor區(qū)不能容納存活對象（200MB）導(dǎo)致必須晉升到老年代。所以重新分配新生代大小為2G，老年代為1G，同時改變Eden和Survivor的空間比例，這樣Survivor區(qū)就能容納每次Minor GC后的存活對象，如下圖：

比如經(jīng)過一段時間，JVM內(nèi)存結(jié)果如下，Eden區(qū)被占滿，Survivor1區(qū)有200MB上一輪Minor GC后的存活對象：

然后此時進(jìn)行Minor GC，會先清理到S1區(qū)中的所有對象，然后將Eden區(qū)中的存活對象（200MB）轉(zhuǎn)移到S2區(qū)：

這樣，基本上就很少會有對象進(jìn)入到老年代，F(xiàn)ull GC的頻率能降低到幾小時一次。

五、總結(jié)

最后來總結(jié)下本章的內(nèi)容，本章主要介紹了新生代的復(fù)制算法和老年代的標(biāo)記整理算法的流程，重點需要掌握的是以下幾點：

1. 新生代對象何時會進(jìn)入老年代？
2. 何時會觸發(fā)新生代的Minor GC？
3. 何時會觸發(fā)FULL GC？
4. 空間分配擔(dān)保機(jī)制的作用是什么？

同時，本章也給出了一個線上示例，幫助讀者更好的理解JVM分代垃圾回收的整個流程。下一章開始，我們將詳細(xì)介紹各種垃圾回收器，看看它們內(nèi)部是如何運用GC算法進(jìn)行垃圾回收的。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-784039.html

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