垃圾回收，從JVM開始

來源：北大青鳥總部 2023年07月05日 11:43

摘要：在互聯網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用開發必用、使用的應用程序占比超過80%的開發語言JAVA了。

關于垃圾回收分類，相信大家還是比較有感觸的。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。每個人都要養成垃圾分類、垃圾回收的意識。事實上在互聯網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用開發必用、使用的應用程序占比超過80%的開發語言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會為每個對象創建一塊內存，并維護管理這塊內存。現在最新的JDK版本（JAVADevelopmentKit，Java開發工具包，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的內存模型。在內存模型中包含堆、虛擬機棧本地方法棧、方法區、程序計數器等等元素，堆主要用于存放所有的對象實例，實例創建后在此分配內存；虛擬機棧是Java方法執行的內存模型，每個Java方法在執行時都會同時創建一個棧幀，來存儲局部變量表、操作棧、動態鏈接、方法返回地址等；本地方法棧則是服務于虛擬機使用到的Native方法；方法區是存儲虛擬機加載的元數據信息；元數據區主要是存儲方法名、方法變量等元數據信息；程序計數器主要是指明當前線程所執行的字節碼。因為Java對象主要在Heap堆區中運行，因此總的來說，JVM管控的內存就是Heap內存、Non-Heap內存。

一個Java程序的執行如下圖所示，通過編譯成class文件，調用JVM的類加載子系統，在內存空間中創建對象、執行對象，執行結束后，進行對象的內存回收，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，通過內存分代，可以更好的執行垃圾回收，提高效率。年輕代用來存儲最近新創建的對象，在年輕代中存在的對象死亡是非常快的，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中內存回收過程大概如下：對象在年輕代EdenSpace創建，當EdenSpace內存空間滿的時候，垃圾回收器就把所有在EdenSpace中的對象都掃描一次，把有效的對象復制到第一個SurvivorSpace（即Survivorfrom），無效的對象所占用的空間進行釋放。當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的數據也會移動到第二個SurvivorSpace。如果填充到Survivorto的對象被Survivorfrom或EdenSpace中的對象引用，那么系統會認為它們生命周期比較長，就會把它們移動到老年代。經過年輕代和老年代來來回回的新建、回收（MinorGC、MajorGC），不斷的釋放內存給程序用，如果不能夠釋放足夠的內存空間，就會執行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制-清除算法，所謂復制清除算法指的是在執行MinorGC時，先將應用程序掛起，將Eden和Survivorfrom中存活的對象復制到Survivorto當中，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記-清除算法，在執行MajorGC時，把對象標記出來，然后清除掉，MajorGC是比較低頻的。值得注意的是在GC時會產生很多內存碎片，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GC。

垃圾回收算法是在垃圾回收器中實現和運行的，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，將整個應用程序掛起（stopthe world），然后復制-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用線程并實現大部分多垃圾回收。年輕代和老年代垃圾回收器之間的關系關聯可以見下圖所示。

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