面经——JVM

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目录

  1. JVM运行时内存划分?PC+虚拟机栈+本地方法栈+堆+方法区+JDK1.7与1.8区别

  2. 创建一个对象的步骤

  3. 介绍下 Java 内存区域(运行时数据区)

  4. Java 对象的创建过程(五步,建议能默写出来并且要知道每一步虚拟机做了什么)

  5. 对象的访问定位的两种方式(句柄和直接指针两种方式)

  6. 如何判断对象是否死亡(两种方法)。

  7. 简单的介绍一下强引用、软引用、弱引用、虚引用(虚引用与软引用和弱引用的区别、使用软引用能带来的好处)。

  8. 如何判断一个常量是废弃常量

  9. 如何判断一个类是无用的类

  10. 垃圾收集有哪些算法,各自的特点?

  11. HotSpot 为什么要分为新生代和老年代?

  12. 常见的垃圾回收器有哪些?

  13. 介绍一下 CMS,G1 收集器。

  14. Minor Gc 和 Full GC 有什么不同呢?

  15. 类加载过程

注:题目从牛客 Java部门面经整理而来,题目的解释很多转载自 JavaGuide 大佬的文章和参考其他一些博客,因为总结的太好了,就照搬了。
2020秋招面经大汇总!(岗位划分)
Java 学习/面试指南
在这里插入图片描述


1. JVM运行时内存划分?PC+虚拟机栈+本地方法栈+堆+方法区+JDK1.7与1.8区别

2. 创建一个对象的步骤

3. 介绍下 Java 内存区域(运行时数据区)

4. Java 对象的创建过程(五步,建议能默写出来并且要知道每一步虚拟机做了什么)

5. 对象的访问定位的两种方式(句柄和直接指针两种方式)

一 概述

对于 Java 程序员来说,在虚拟机自动内存管理机制下,不再需要像 C/C++程序开发程序员这样为每一个 new 操作去写对应的 delete/free 操作,不容易出现内存泄漏和内存溢出问题。正是因为 Java 程序员把内存控制权利交给 Java 虚拟机,一旦出现内存泄漏和溢出方面的问题,如果不了解虚拟机是怎样使用内存的,那么排查错误将会是一个非常艰巨的任务。

二 运行时数据区域

Java 虚拟机在执行 Java 程序的过程中会把它管理的内存划分成若干个不同的数据区域。JDK. 1.8 和之前的版本略有不同,下面会介绍到。
JDK 1.8 之前:
在这里插入图片描述
JDK 1.8 :
在这里插入图片描述
线程私有的:

  • 程序计数器

  • 虚拟机栈

  • 本地方法栈

线程共享的:

  • 方法区

  • 直接内存 (非运行时数据区的一部分)

2.1 程序计数器

程序计数器是一块较小的内存空间,可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。字节码解释器工作时通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令,分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等功能都需要依赖这个计数器来完成。

另外,为了线程切换后能恢复到正确的执行位置,每条线程都需要有一个独立的程序计数器,各线程之间计数器互不影响,独立存储,我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。

从上面的介绍中我们知道程序计数器主要有两个作用:

  1. 字节码解释器通过改变程序计数器来依次读取指令,从而实现代码的流程控制,如:顺序执行、选择、循环、异常处理。

  2. 在多线程的情况下,程序计数器用于记录当前线程执行的位置,从而当线程被切换回来的时候能够知道该线程上次运行到哪儿了。

注意:程序计数器是唯一一个不会出现 OutOfMemoryError 的内存区域,它的生命周期随着线程的创建而创建,随着线程的结束而死亡。

2.2 Java 虚拟机栈

与程序计数器一样,Java 虚拟机栈也是线程私有的,它的生命周期和线程相同,描述的是 Java 方法执行的内存模型,每次方法调用的数据都是通过栈传递的。

Java 内存可以粗糙的区分为堆内存(Heap)和栈内存 (Stack),其中栈就是现在说的虚拟机栈,或者说是虚拟机栈中局部变量表部分。 (实际上,Java 虚拟机栈是由一个个栈帧组成,而每个栈帧中都拥有:局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口信息。)

局部变量表主要存放了编译器可知的各种数据类型(boolean、byte、char、short、int、float、long、double)、对象引用(reference 类型,它不同于对象本身,可能是一个指向对象起始地址的引用指针,也可能是指向一个代表对象的句柄或其他与此对象相关的位置)。

Java 虚拟机栈会出现两种错误:StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError。

  • StackOverFlowError: 若 Java 虚拟机栈的内存大小不允许动态扩展,那么当线程请求栈的深度超过当前 Java 虚拟机栈的最大深度的时候,就抛出 StackOverFlowError 错误。

  • OutOfMemoryError: 若 Java 虚拟机栈的内存大小允许动态扩展,且当线程请求栈时内存用完了,无法再动态扩展了,此时抛出 OutOfMemoryError 错误。

Java 虚拟机栈也是线程私有的,每个线程都有各自的 Java 虚拟机栈,而且随着线程的创建而创建,随着线程的死亡而死亡。

扩展:那么方法/函数如何调用?
Java 栈可用类比数据结构中栈,Java 栈中保存的主要内容是栈帧,每一次函数调用都会有一个对应的栈帧被压入 Java 栈,每一个函数调用结束后,都会有一个栈帧被弹出。

Java 方法有两种返回方式:

  1. return 语句。

  2. 抛出异常。

不管哪种返回方式都会导致栈帧被弹出。

2.3 本地方法栈

和虚拟机栈所发挥的作用非常相似,区别是: 虚拟机栈为虚拟机执行 Java 方法 (也就是字节码)服务,而本地方法栈则为虚拟机使用到的 Native 方法服务。 在 HotSpot 虚拟机中和 Java 虚拟机栈合二为一。

本地方法被执行的时候,在本地方法栈也会创建一个栈帧,用于存放该本地方法的局部变量表、操作数栈、动态链接、出口信息。

方法执行完毕后相应的栈帧也会出栈并释放内存空间,也会出现 StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError 两种错误。

2.4 堆

Java 虚拟机所管理的内存中最大的一块,Java 堆是所有线程共享的一块内存区域,在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例,几乎所有的对象实例以及数组都在这里分配内存。

Java 堆是垃圾收集器管理的主要区域,因此也被称作GC 堆(Garbage Collected Heap)。从垃圾回收的角度,由于现在收集器基本都采用分代垃圾收集算法,所以 Java 堆还可以细分为:新生代和老年代。再细致一点有:Eden 空间、From Survivor、To Survivor 空间等。进一步划分的目的是更好地回收内存,或者更快地分配内存。

在 JDK 7 版本及JDK 7 版本之前,堆内存被通常被分为下面三部分:

  1. 新生代内存(Young Generation)

  2. 老生代(Old Generation)

  3. 永生代(Permanent Generation)
    在这里插入图片描述

JDK 8 版本之后方法区(HotSpot 的永久代)被彻底移除了(JDK1.7 就已经开始了),取而代之是元空间,元空间使用的是直接内存。

在这里插入图片描述
上图所示的 Eden 区、两个 Survivor 区都属于新生代(为了区分,这两个 Survivor 区域按照顺序被命名为 from 和 to),中间一层属于老年代。

大部分情况,对象都会首先在 Eden 区域分配,在一次新生代垃圾回收后,如果对象还存活,则会进入 s0 或者 s1,并且对象的年龄还会加 1(Eden 区->Survivor 区后对象的初始年龄变为 1),当它的年龄增加到一定程度(默认为 15 岁),就会被晋升到老年代中。对象晋升到老年代的年龄阈值,可以通过参数 -XX:MaxTenuringThreshold 来设置。

修正(issue552):“Hotspot遍历所有对象时,按照年龄从小到大对其所占用的大小进行累积,当累积的某个年龄大小超过了survivor区的一半时,取这个年龄和MaxTenuringThreshold中更小的一个值,作为新的晋升年龄阈值”。

动态年龄计算的代码如下

uint ageTable::compute_tenuring_threshold(size_t survivor_capacity) {
	//survivor_capacity是survivor空间的大小
  size_t desired_survivor_size = (size_t)((((double) survivor_capacity)*TargetSurvivorRatio)/100);
  size_t total = 0;
  uint age = 1;
  while (age < table_size) {
    total += sizes[age];//sizes数组是每个年龄段对象大小
    if (total > desired_survivor_size) break;
    age++;
  }
  uint result = age < MaxTenuringThreshold ? age : MaxTenuringThreshold;
	...
}

堆这里最容易出现的就是 OutOfMemoryError 错误,并且出现这种错误之后的表现形式还会有几种,比如:

  • OutOfMemoryError: GC Overhead Limit Exceeded : 当JVM花太多时间执行垃圾回收并且只能回收很少的堆空间时,就会发生此错误。

  • java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space :假如在创建新的对象时, 堆内存中的空间不足以存放新创建的对象, 就会引发 java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space 错误。(和本机物理内存无关,和你配置的对内存大小有关!)

2.5 方法区

方法区与 Java 堆一样,是各个线程共享的内存区域,它用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。虽然 Java 虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分,但是它却有一个别名叫做 Non-Heap(非堆),目的应该是与 Java 堆区分开来。

方法区也被称为永久代。很多人都会分不清方法区和永久代的关系,为此我也查阅了文献。

2.5.1 方法区和永久代的关系

《Java 虚拟机规范》只是规定了有方法区这么个概念和它的作用,并没有规定如何去实现它。那么,在不同的 JVM 上方法区的实现肯定是不同的了。 方法区和永久代的关系很像 Java 中接口和类的关系,类实现了接口,而永久代就是 HotSpot 虚拟机对虚拟机规范中方法区的一种实现方式。 也就是说,永久代是 HotSpot 的概念,方法区是 Java 虚拟机规范中的定义,是一种规范,而永久代是一种实现,一个是标准一个是实现,其他的虚拟机实现并没有永久代这一说法。

2.5.2 常用参数

JDK 1.8 之前永久代还没被彻底移除的时候通常通过下面这些参数来调节方法区大小

-XX:PermSize=N //方法区 (永久代) 初始大小
-XX:MaxPermSize=N //方法区 (永久代) 最大大小,超过这个值将会抛出 OutOfMemoryError 异常:java.lang.OutOfMemoryError: PermGen

相对而言,垃圾收集行为在这个区域是比较少出现的,但并非数据进入方法区后就“永久存在”了。

JDK 1.8 的时候,方法区(HotSpot 的永久代)被彻底移除了(JDK1.7 就已经开始了),取而代之是元空间,元空间使用的是直接内存。

下面是一些常用参数:

-XX:MetaspaceSize=N //设置 Metaspace 的初始(和最小大小)
-XX:MaxMetaspaceSize=N //设置 Metaspace 的最大大小

与永久代很大的不同就是,如果不指定大小的话,随着更多类的创建,虚拟机会耗尽所有可用的系统内存。

2.5.3 为什么要将永久代 (PermGen) 替换为元空间 (MetaSpace) 呢?

整个永久代有一个 JVM 本身设置固定大小上限,无法进行调整,而元空间使用的是直接内存,受本机可用内存的限制,虽然元空间仍旧可能溢出,但是比原来出现的几率会更小。
当你元空间溢出时会得到如下错误: java.lang.OutOfMemoryError: MetaSpace

你可以使用 -XX:MaxMetaspaceSize 标志设置最大元空间大小,默认值为 unlimited,这意味着它只受系统内存的限制。-XX:MetaspaceSize 调整标志定义元空间的初始大小,如果未指定此标志,则 Metaspace 将根据运行时的应用程序需求动态地重新调整大小。

元空间里面存放的是类的元数据,这样加载多少类的元数据就不由 MaxPermSize 控制了, 而由系统的实际可用空间来控制,这样能加载的类就更多了。

在 JDK8,合并 HotSpot 和 JRockit 的代码时, JRockit 从来没有一个叫永久代的东西, 合并之后就没有必要额外的设置这么一个永久代的地方了。


2.6 运行时常量池

运行时常量池是方法区的一部分。Class 文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外,还有常量池信息(用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用)

既然运行时常量池是方法区的一部分,自然受到方法区内存的限制,当常量池无法再申请到内存时会抛出 OutOfMemoryError 错误。

JDK1.7 及之后版本的 JVM 已经将运行时常量池从方法区中移了出来,在 Java 堆(Heap)中开辟了一块区域存放运行时常量池。

在这里插入图片描述


2.7 直接内存

直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分,也不是虚拟机规范中定义的内存区域,但是这部分内存也被频繁地使用。而且也可能导致 OutOfMemoryError 错误出现。

JDK1.4 中新加入的 NIO(New Input/Output) 类,引入了一种基于通道(Channel) 与缓存区(Buffer) 的 I/O 方式,它可以直接使用 Native 函数库直接分配堆外内存,然后通过一个存储在 Java 堆中的 DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用进行操作。这样就能在一些场景中显著提高性能,因为避免了在 Java 堆和 Native 堆之间来回复制数据。

本机直接内存的分配不会受到 Java 堆的限制,但是,既然是内存就会受到本机总内存大小以及处理器寻址空间的限制。


三 HotSpot 虚拟机对象探秘

通过上面的介绍我们大概知道了虚拟机的内存情况,下面我们来详细的了解一下 HotSpot 虚拟机在 Java 堆中对象分配、布局和访问的全过程。

3.1 对象的创建

下图便是 Java 对象的创建过程,我建议最好是能默写出来,并且要掌握每一步在做什么。
在这里插入图片描述
Step1:类加载检查
虚拟机遇到一条 new 指令时,首先将去检查这个指令的参数是否能在常量池中定位到这个类的符号引用,并且检查这个符号引用代表的类是否已被加载过、解析和初始化过。如果没有,那必须先执行相应的类加载过程。

Step2:分配内存
类加载检查通过后,接下来虚拟机将为新生对象分配内存。对象所需的内存大小在类加载完成后便可确定,为对象分配空间的任务等同于把一块确定大小的内存从 Java 堆中划分出来。分配方式有 “指针碰撞” 和 “空闲列表” 两种,选择哪种分配方式由 Java 堆是否规整决定,而 Java 堆是否规整又由所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定。

内存分配的两种方式:(补充内容,需要掌握)

选择以上两种方式中的哪一种,取决于 Java 堆内存是否规整。而 Java 堆内存是否规整,取决于 GC 收集器的算法是”标记-清除”,还是”标记-整理”(也称作”标记-压缩”),值得注意的是,复制算法内存也是规整的
在这里插入图片描述
内存分配并发问题(补充内容,需要掌握)

在创建对象的时候有一个很重要的问题,就是线程安全,因为在实际开发过程中,创建对象是很频繁的事情,作为虚拟机来说,必须要保证线程是安全的,通常来讲,虚拟机采用两种方式来保证线程安全:

  • CAS+失败重试: CAS 是乐观锁的一种实现方式。所谓乐观锁就是,每次不加锁而是假设没有冲突而去完成某项操作,如果因为冲突失败就重试,直到成功为止。虚拟机采用 CAS 配上失败重试的方式保证更新操作的原子性。

  • TLAB: 为每一个线程预先在 Eden 区分配一块儿内存,JVM 在给线程中的对象分配内存时,首先在 TLAB 分配,当对象大于 TLAB 中的剩余内存或 TLAB 的内存已用尽时,再采用上述的 CAS 进行内存分配

Step3:初始化零值
内存分配完成后,虚拟机需要将分配到的内存空间都初始化为零值(不包括对象头),这一步操作保证了对象的实例字段在 Java 代码中可以不赋初始值就直接使用,程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。

Step4:设置对象头
初始化零值完成之后,虚拟机要对对象进行必要的设置,例如这个对象是哪个类的实例、如何才能找到类的元数据信息、对象的哈希码、对象的 GC 分代年龄等信息。 这些信息存放在对象头中。 另外,根据虚拟机当前运行状态的不同,如是否启用偏向锁等,对象头会有不同的设置方式。

Step5:执行 init 方法
在上面工作都完成之后,从虚拟机的视角来看,一个新的对象已经产生了,但从 Java 程序的视角来看,对象创建才刚开始, 方法还没有执行,所有的字段都还为零。所以一般来说,执行 new 指令之后会接着执行 方法,把对象按照程序员的意愿进行初始化,这样一个真正可用的对象才算完全产生出来。

3.2 对象的内存布局

在 Hotspot 虚拟机中,对象在内存中的布局可以分为 3 块区域:对象头、实例数据对齐填充

Hotspot 虚拟机的对象头包括两部分信息,第一部分用于存储对象自身的自身运行时数据(哈希码、GC 分代年龄、锁状态标志等等),另一部分是类型指针,即对象指向它的类元数据的指针,虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。

实例数据部分是对象真正存储的有效信息,也是在程序中所定义的各种类型的字段内容。

对齐填充部分不是必然存在的,也没有什么特别的含义,仅仅起占位作用。 因为 Hotspot 虚拟机的自动内存管理系统要求对象起始地址必须是 8 字节的整数倍,换句话说就是对象的大小必须是 8 字节的整数倍。而对象头部分正好是 8 字节的倍数(1 倍或 2 倍),因此,当对象实例数据部分没有对齐时,就需要通过对齐填充来补全。

3.3 对象的访问定位

建立对象就是为了使用对象,我们的 Java 程序通过栈上的 reference 数据来操作堆上的具体对象。对象的访问方式由虚拟机实现而定,目前主流的访问方式有①使用句柄②直接指针两种

1. 句柄: 如果使用句柄的话,那么 Java 堆中将会划分出一块内存来作为句柄池,reference 中存储的就是对象的句柄地址,而句柄中包含了对象实例数据与类型数据各自的具体地址信息;
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2. 直接指针: 如果使用直接指针访问,那么 Java 堆对象的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息,而 reference 中存储的直接就是对象的地址。
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这两种对象访问方式各有优势。使用句柄来访问的最大好处是 reference 中存储的是稳定的句柄地址,在对象被移动时只会改变句柄中的实例数据指针,而 reference 本身不需要修改。使用直接指针访问方式最大的好处就是速度快,它节省了一次指针定位的时间开销。

四 重点补充内容

4.1 String 类和常量池

String 对象的两种创建方式:

String str1 = "abcd"; //先检查字符串常量池中有没有"abcd",如果字符串常量池中没有,则创建一个,然后 str1 指向字符串常量池中的对象,如果有,则直接将 str1 指向"abcd"";
String str2 = new String("abcd");//堆中创建一个新的对象
String str3 = new String("abcd");//堆中创建一个新的对象
System.out.println(str1==str2);//false
System.out.println(str2==str3);//false

这两种不同的创建方法是有差别的。

  • 第一种方式是在常量池中拿对象;

  • 第二种方式是直接在堆内存空间创建一个新的对象。

记住一点:只要使用 new 方法,便需要创建新的对象。

再给大家一个图应该更容易理解:
在这里插入图片描述
String 类型的常量池比较特殊。它的主要使用方法有两种:

  • 直接使用双引号声明出来的 String 对象会直接存储在常量池中。

  • 如果不是用双引号声明的 String 对象,可以使用 String 提供的 intern 方法。String.intern() 是一个 Native 方法,它的作用是:如果运行时常量池中已经包含一个等于此 String 对象内容的字符串,则返回常量池中该字符串的引用;如果没有,JDK1.7之前(不包含1.7)的处理方式是在常量池中创建与此 String 内容相同的字符串,并返回常量池中创建的字符串的引用,JDK1.7以及之后的处理方式是在常量池中记录此字符串的引用,并返回该引用。

		String s1 = new String("计算机");
		String s2 = s1.intern();
		String s3 = "计算机";
		System.out.println(s2);//计算机
		System.out.println(s1 == s2);//false,因为一个是堆内存中的 String 对象一个是常量池中的 String 对象,
		System.out.println(s3 == s2);//true,因为两个都是常量池中的 String 对象

字符串拼接:

        String str1 = "str";
        String str2 = "ing";

        String str3 = "str" + "ing";//常量池中的对象
        String str4 = str1 + str2; //在堆上创建的新的对象	  
        String str5 = "string";//常量池中的对象
        System.out.println(str3 == str4);//false
        System.out.println(str3 == str5);//true
        System.out.println(str4 == str5);//false

在这里插入图片描述
尽量避免多个字符串拼接,因为这样会重新创建对象。如果需要改变字符串的话,可以使用 StringBuilder 或者 StringBuffer。

4.2 String s1 = new String(“abc”);这句话创建了几个字符串对象?

将创建 1 或 2 个字符串。如果池中已存在字符串常量“abc”,则只会在堆空间创建一个字符串常量“abc”。如果池中没有字符串常量“abc”,那么它将首先在池中创建,然后在堆空间中创建,因此将创建总共 2 个字符串对象。

验证

		String s1 = new String("abc");// 堆内存的地址值
		String s2 = "abc";
		System.out.println(s1 == s2);// 输出 false,因为一个是堆内存,一个是常量池的内存,故两者是不同的。
		System.out.println(s1.equals(s2));// 输出 true

结果

false
true
4.3 8 种基本类型的包装类和常量池
  • Java 基本类型的包装类的大部分都实现了常量池技术,即 Byte,Short,Integer,Long,Character,Boolean;这 5 种包装类默认创建了数值[-128,127] 的相应类型的缓存数据,但是超出此范围仍然会去创建新的对象。 为啥把缓存设置为[-128,127]区间?(参见issue/461)性能和资源之间的权衡。

  • 两种浮点数类型的包装类 Float,Double 并没有实现常量池技术

		Integer i1 = 33;
		Integer i2 = 33;
		System.out.println(i1 == i2);// 输出 true
		Integer i11 = 333;
		Integer i22 = 333;
		System.out.println(i11 == i22);// 输出 false
		Double i3 = 1.2;
		Double i4 = 1.2;
		System.out.println(i3 == i4);// 输出 false

Integer 缓存源代码:

/**
*此方法将始终缓存-128 到 127(包括端点)范围内的值,并可以缓存此范围之外的其他值。
*/
    public static Integer valueOf(int i) {
        if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)
            return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];
        return new Integer(i);
    }

应用场景:

  • Integer i1=40;Java 在编译的时候会直接将代码封装成 Integer i1=Integer.valueOf(40);,从而使用常量池中的对象。

  • Integer i1 = new Integer(40);这种情况下会创建新的对象。

  Integer i1 = 40;
  Integer i2 = new Integer(40);
  System.out.println(i1==i2);//输出 false

Integer 比较更丰富的一个例子:

  Integer i1 = 40;
  Integer i2 = 40;
  Integer i3 = 0;
  Integer i4 = new Integer(40);
  Integer i5 = new Integer(40);
  Integer i6 = new Integer(0);
  
  System.out.println("i1=i2   " + (i1 == i2));
  System.out.println("i1=i2+i3   " + (i1 == i2 + i3));
  System.out.println("i1=i4   " + (i1 == i4));
  System.out.println("i4=i5   " + (i4 == i5));
  System.out.println("i4=i5+i6   " + (i4 == i5 + i6));   
  System.out.println("40=i5+i6   " + (40 == i5 + i6));     

结果:

i1=i2   true
i1=i2+i3   true
i1=i4   false
i4=i5   false
i4=i5+i6   true
40=i5+i6   true

解释:

语句 i4 == i5 + i6,因为+这个操作符不适用于 Integer 对象,首先 i5 和 i6 进行自动拆箱操作,进行数值相加,即 i4 == 40。然后 Integer 对象无法与数值进行直接比较,所以 i4 自动拆箱转为 int 值 40,最终这条语句转为 40 == 40 进行数值比较。


6. 如何判断对象是否死亡(两种方法)。

7. 简单的介绍一下强引用、软引用、弱引用、虚引用(虚引用与软引用和弱引用的区别、使用软引用能带来的好处)。

8. 如何判断一个常量是废弃常量

9. 如何判断一个类是无用的类

10. 垃圾收集有哪些算法,各自的特点?

11. HotSpot 为什么要分为新生代和老年代?

12. 常见的垃圾回收器有哪些?

13. 介绍一下 CMS,G1 收集器。

14. Minor Gc 和 Full GC 有什么不同呢?

本文导火索

在这里插入图片描述
当需要排查各种内存溢出问题、当垃圾收集成为系统达到更高并发的瓶颈时,我们就需要对这些“自动化”的技术实施必要的监控和调节。

1 揭开 JVM 内存分配与回收的神秘面纱

Java 的自动内存管理主要是针对对象内存的回收和对象内存的分配。同时,Java 自动内存管理最核心的功能是 堆内存中对象的分配与回收

Java 堆是垃圾收集器管理的主要区域,因此也被称作GC 堆(Garbage Collected Heap).从垃圾回收的角度,由于现在收集器基本都采用分代垃圾收集算法,所以 Java 堆还可以细分为:新生代和老年代:再细致一点有:Eden 空间、From Survivor、To Survivor 空间等。进一步划分的目的是更好地回收内存,或者更快地分配内存。

堆空间的基本结构:
在这里插入图片描述
上图所示的 eden 区、s0(“From”) 区、s1(“To”) 区都属于新生代,tentired 区属于老年代。大部分情况,对象都会首先在 Eden 区域分配,在一次新生代垃圾回收后,如果对象还存活,则会进入 s1(“To”),并且对象的年龄还会加 1(Eden 区->Survivor 区后对象的初始年龄变为 1),当它的年龄增加到一定程度(默认为 15 岁),就会被晋升到老年代中。对象晋升到老年代的年龄阈值,可以通过参数 -XX:MaxTenuringThreshold 来设置。经过这次GC后,Eden区和”From”区已经被清空。这个时候,“From”和”To”会交换他们的角色,也就是新的”To”就是上次GC前的“From”,新的”From”就是上次GC前的”To”。不管怎样,都会保证名为To的Survivor区域是空的。Minor GC会一直重复这样的过程,直到“To”区被填满,”To”区被填满之后,会将所有对象移动到老年代中。
在这里插入图片描述

1.1 对象优先在 eden 区分配

目前主流的垃圾收集器都会采用分代回收算法,因此需要将堆内存分为新生代和老年代,这样我们就可以根据各个年代的特点选择合适的垃圾收集算法。

大多数情况下,对象在新生代中 eden 区分配。当 eden 区没有足够空间进行分配时,虚拟机将发起一次 Minor GC.下面我们来进行实际测试以下。

在测试之前我们先来看看 Minor GC 和 Full GC 有什么不同呢?

  • 新生代 GC(Minor GC):指发生新生代的的垃圾收集动作,Minor GC 非常频繁,回收速度一般也比较快。

  • 老年代 GC(Major GC/Full GC):指发生在老年代的 GC,出现了 Major GC 经常会伴随至少一次的 Minor GC(并非绝对),Major GC 的速度一般会比 Minor GC 的慢 10 倍以上。

测试:

public class GCTest {

	public static void main(String[] args) {
		byte[] allocation1, allocation2;
		allocation1 = new byte[30900*1024];
		//allocation2 = new byte[900*1024];
	}
}

通过以下方式运行:
在这里插入图片描述
添加的参数:-XX:+PrintGCDetails
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运行结果 (红色字体描述有误,应该是对应于 JDK1.7 的永久代):
在这里插入图片描述
从上图我们可以看出 eden 区内存几乎已经被分配完全(即使程序什么也不做,新生代也会使用 2000 多 k 内存)。假如我们再为 allocation2 分配内存会出现什么情况呢?

allocation2 = new byte[900*1024];

在这里插入图片描述
简单解释一下为什么会出现这种情况: 因为给 allocation2 分配内存的时候 eden 区内存几乎已经被分配完了,我们刚刚讲了当 Eden 区没有足够空间进行分配时,虚拟机将发起一次 Minor GC.GC 期间虚拟机又发现 allocation1 无法存入 Survivor 空间,所以只好通过 分配担保机制 把新生代的对象提前转移到老年代中去,老年代上的空间足够存放 allocation1,所以不会出现 Full GC。执行 Minor GC 后,后面分配的对象如果能够存在 eden 区的话,还是会在 eden 区分配内存。可以执行如下代码验证:

public class GCTest {

	public static void main(String[] args) {
		byte[] allocation1, allocation2,allocation3,allocation4,allocation5;
		allocation1 = new byte[32000*1024];
		allocation2 = new byte[1000*1024];
		allocation3 = new byte[1000*1024];
		allocation4 = new byte[1000*1024];
		allocation5 = new byte[1000*1024];
	}
}

1.2 大对象直接进入老年代

大对象就是需要大量连续内存空间的对象(比如:字符串、数组)。大对象对虚拟机的内存分配来说就是一个坏消息,经常出现大对象容易导致内存还有不少空间时就提前触发垃圾收集以获取足够的连续空间来“安置”它们。

为什么要这样呢?

为了避免为大对象分配内存时由于分配担保机制带来的复制而降低效率。

虚拟机提供了一个-XX:PretenureSizeThreshold参数,令大于这个设置值的对象直接在老年代分配。这样做的目的是避免在Eden区及两个Survivor区之间发生大量的内存复制(新生代采用复制算法收集内存)。

注意 PretenureSizeThreshold参数只对Serial和ParNew两款收集器有效,Parallel Scavenge收集器不认识这个参数,Parallel Scavenge收集器一般并不需要设置。如果遇到必须使用此参数的场合,可以考虑ParNew加CMS的收集器组合。

1.3 长期存活的对象将进入老年代

既然虚拟机采用了分代收集的思想来管理内存,那么内存回收时就必须能识别哪些对象应放在新生代,哪些对象应放在老年代中。为了做到这一点,虚拟机给每个对象一个对象年龄(Age)计数器。

如果对象在 Eden 出生并经过第一次 Minor GC 后仍然能够存活,并且能被 Survivor 容纳的话,将被移动到 Survivor 空间中,并将对象年龄设为 1.对象在 Survivor 中每熬过一次 MinorGC,年龄就增加 1 岁,当它的年龄增加到一定程度(默认为 15 岁),就会被晋升到老年代中。对象晋升到老年代的年龄阈值,可以通过参数 -XX:MaxTenuringThreshold 来设置。

1.4 动态对象年龄判定

为了更好的适应不同程序的内存情况,虚拟机不是永远要求对象年龄必须达到了某个值才能进入老年代,如果 Survivor 空间中相同年龄所有对象大小的总和大于 Survivor 空间的一半,年龄大于或等于该年龄的对象就可以直接进入老年代,无需达到要求的年龄。

2 对象已经死亡?

堆中几乎放着所有的对象实例,对堆垃圾回收前的第一步就是要判断那些对象已经死亡(即不能再被任何途径使用的对象)。
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2.1 引用计数法

给对象中添加一个引用计数器,每当有一个地方引用它,计数器就加 1;当引用失效,计数器就减 1;任何时候计数器为 0 的对象就是不可能再被使用的。

这个方法实现简单,效率高,但是目前主流的虚拟机中并没有选择这个算法来管理内存,其最主要的原因是它很难解决对象之间相互循环引用的问题。 所谓对象之间的相互引用问题,如下面代码所示:除了对象 objA 和 objB 相互引用着对方之外,这两个对象之间再无任何引用。但是他们因为互相引用对方,导致它们的引用计数器都不为 0,于是引用计数算法无法通知 GC 回收器回收他们。

public class ReferenceCountingGc {
    Object instance = null;
	public static void main(String[] args) {
		ReferenceCountingGc objA = new ReferenceCountingGc();
		ReferenceCountingGc objB = new ReferenceCountingGc();
		objA.instance = objB;
		objB.instance = objA;
		objA = null;
		objB = null;
	}
}
2.2 可达性分析算法

这个算法的基本思想就是通过一系列的称为 “GC Roots” 的对象作为起点,从这些节点开始向下搜索,节点所走过的路径称为引用链,当一个对象到 GC Roots 没有任何引用链相连的话,则证明此对象是不可用的。
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2.3 再谈引用

无论是通过引用计数法判断对象引用数量,还是通过可达性分析法判断对象的引用链是否可达,判定对象的存活都与“引用”有关。

JDK1.2 之前,Java 中引用的定义很传统:如果 reference 类型的数据存储的数值代表的是另一块内存的起始地址,就称这块内存代表一个引用。

JDK1.2 以后,Java 对引用的概念进行了扩充,将引用分为强引用、软引用、弱引用、虚引用四种(引用强度逐渐减弱)

1.强引用(StrongReference)

以前我们使用的大部分引用实际上都是强引用,这是使用最普遍的引用。如果一个对象具有强引用,那就类似于必不可少的生活用品,垃圾回收器绝不会回收它。当内存空间不足,Java 虚拟机宁愿抛出 OutOfMemoryError 错误,使程序异常终止,也不会靠随意回收具有强引用的对象来解决内存不足问题。

2.软引用(SoftReference)

如果一个对象只具有软引用,那就类似于可有可无的生活用品。如果内存空间足够,垃圾回收器就不会回收它,如果内存空间不足了,就会回收这些对象的内存。只要垃圾回收器没有回收它,该对象就可以被程序使用。软引用可用来实现内存敏感的高速缓存。

软引用可以和一个引用队列(ReferenceQueue)联合使用,如果软引用所引用的对象被垃圾回收,JAVA 虚拟机就会把这个软引用加入到与之关联的引用队列中。

3.弱引用(WeakReference)

如果一个对象只具有弱引用,那就类似于可有可无的生活用品。弱引用与软引用的区别在于:只具有弱引用的对象拥有更短暂的生命周期。在垃圾回收器线程扫描它所管辖的内存区域的过程中,一旦发现了只具有弱引用的对象,不管当前内存空间足够与否,都会回收它的内存。不过,由于垃圾回收器是一个优先级很低的线程, 因此不一定会很快发现那些只具有弱引用的对象。

弱引用可以和一个引用队列(ReferenceQueue)联合使用,如果弱引用所引用的对象被垃圾回收,Java 虚拟机就会把这个弱引用加入到与之关联的引用队列中。

4.虚引用(PhantomReference)

“虚引用”顾名思义,就是形同虚设,与其他几种引用都不同,虚引用并不会决定对象的生命周期。如果一个对象仅持有虚引用,那么它就和没有任何引用一样,在任何时候都可能被垃圾回收。

虚引用主要用来跟踪对象被垃圾回收的活动。

虚引用与软引用和弱引用的一个区别在于: 虚引用必须和引用队列(ReferenceQueue)联合使用。当垃圾回收器准备回收一个对象时,如果发现它还有虚引用,就会在回收对象的内存之前,把这个虚引用加入到与之关联的引用队列中。程序可以通过判断引用队列中是否已经加入了虚引用,来了解被引用的对象是否将要被垃圾回收。程序如果发现某个虚引用已经被加入到引用队列,那么就可以在所引用的对象的内存被回收之前采取必要的行动。

特别注意,在程序设计中一般很少使用弱引用与虚引用,使用软引用的情况较多,这是因为软引用可以加速 JVM 对垃圾内存的回收速度,可以维护系统的运行安全,防止内存溢出(OutOfMemory)等问题的产生。

2.4 不可达的对象并非“非死不可”

即使在可达性分析法中不可达的对象,也并非是“非死不可”的,这时候它们暂时处于“缓刑阶段”,要真正宣告一个对象死亡,至少要经历两次标记过程;可达性分析法中不可达的对象被第一次标记并且进行一次筛选,筛选的条件是此对象是否有必要执行 finalize 方法。当对象没有覆盖 finalize 方法,或 finalize 方法已经被虚拟机调用过时,虚拟机将这两种情况视为没有必要执行。

被判定为需要执行的对象将会被放在一个低优先级队列中进行第二次标记,除非这个对象与引用链上的任何一个对象建立关联,否则就会被真的回收。

2.5 如何判断一个常量是废弃常量

运行时常量池主要回收的是废弃的常量。那么,我们如何判断一个常量是废弃常量呢?

假如在常量池中存在字符串 “abc”,如果当前没有任何 String 对象引用该字符串常量的话,就说明常量 “abc” 就是废弃常量,如果这时发生内存回收的话而且有必要的话,“abc” 就会被系统清理出常量池。

注意:JDK1.7 及之后版本的 JVM 已经将运行时常量池从方法区中移了出来,在 Java 堆(Heap)中开辟了一块区域存放运行时常量池。

2.6 如何判断一个类是无用的类

方法区主要回收的是无用的类,那么如何判断一个类是无用的类的呢?

判定一个常量是否是“废弃常量”比较简单,而要判定一个类是否是“无用的类”的条件则相对苛刻许多。类需要同时满足下面 3 个条件才能算是 “无用的类” :

  1. 该类所有的实例都已经被回收,也就是 Java 堆中不存在该类的任何实例。

  2. 加载该类的 ClassLoader 已经被回收。

  3. 该类对应的 java.lang.Class 对象没有在任何地方被引用,无法在任何地方通过反射访问该类的方法。

虚拟机可以对满足上述 3 个条件的无用类进行回收,这里说的仅仅是“可以”,而并不是和对象一样不使用了就会必然被回收。

3 垃圾收集算法

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3.1 标记-清除算法

当堆中的有效内存空间(available memory)被耗尽的时候,就会停止整个程序(也被称为stop the world),然后进行两项工作,第一项则是标记,第二项则是清除。

  1. 标记:从引用根节点开始标记所有的被引用的对象。标记的过程其实就是遍历所有的GC Roots,然后将所有GC Roots可达的对象标记为存活的对象

  2. 清除:遍历整个堆,把未标记的对象清除。

它是最基础的收集算法,后续的算法都是对其不足进行改进得到。这种垃圾收集算法会带来两个明显的问题:

  1. 效率问题(stop the world)

  2. 空间问题(标记清除后会产生大量不连续的碎片)

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3.2 复制算法

为了解决效率问题,“复制”收集算法出现了。它可以将内存分为大小相同的两块,每次使用其中的一块。当这一块的内存使用完后,就将还存活的对象复制到另一块去,然后再把使用的空间一次清理掉。这样就使每次的内存回收都是对内存区间的一半进行回收。复制算法不会产生空间碎片。

复制算法的缺点:

  1. 浪费了一半的内存

  2. 如果对象的存活率很高,我们可以极端一点,假设100%存活,那么我们需要将所有对象都复制一遍,并将所有引用地址重置一遍,复制这一工作所花费的时间,在对象存活率达到一定程度时,将会变得不可忽视。

所以从以上的描述中不难看出,复制算法要想使用,最起码对象的存活率要非常低才行,而且最重要的是,我们必须克服50%内存的浪费。

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3.3 标记-整理算法

根据老年代的特点提出的一种标记算法,标记过程仍然与“标记-清除”算法一样,但后续步骤不是直接对可回收对象回收,而是让所有存活的对象向一端移动,然后直接清理掉端边界以外的内存。

标记整理算法的缺点:

  1. 效率不高,不仅要标记所有存活对象,还要整理所有存活对象的引用地址。从效率上来说,标记整理算法要低于复制算法。在这里插入图片描述

3.4 分代收集算法

当前虚拟机的垃圾收集都采用分代收集算法,这种算法没有什么新的思想,只是根据对象存活周期的不同将内存分为几块。一般将 java 堆分为新生代和老年代,这样我们就可以根据各个年代的特点选择合适的垃圾收集算法。

比如在新生代中,每次收集都会有大量对象死去,所以可以选择复制算法,只需要付出少量对象的复制成本就可以完成每次垃圾收集。而老年代的对象存活几率是比较高的,而且没有额外的空间对它进行分配担保,所以我们必须选择“标记-清除”或“标记-整理”算法进行垃圾收集。

延伸面试问题: HotSpot 为什么要分为新生代和老年代?

根据上面的对分代收集算法的介绍回答。

4 垃圾收集器

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如果说收集算法是内存回收的方法论,那么垃圾收集器就是内存回收的具体实现。

虽然我们对各个收集器进行比较,但并非要挑选出一个最好的收集器。因为直到现在为止还没有最好的垃圾收集器出现,更加没有万能的垃圾收集器,我们能做的就是根据具体应用场景选择适合自己的垃圾收集器。试想一下:如果有一种任何场景下都适用的完美收集器存在,那么我们的 HotSpot 虚拟机就不会实现那么多不同的垃圾收集器了。

4.1 Serial 收集器

串行收集器是最古老,最稳定以及效率高的收集器,只使用一个线程去回收但其在进行垃圾收集过程中可能会产生较长的停顿(Stop-The-world状态)。虽然在收集垃圾过程中需要暂停所有其他的工作线程,但是它简单高效,对于限定单个CPU环境来说,没有线程交互的开销可以获得最高的单线程垃圾收集效率,因此Serial垃圾收集器依然是Java虚拟机运行在Client模式下默认的新生代垃圾收集器。

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对应JVM参数是:-XX:+UseSerialGC
开启后会使用:Serial(young区用)+SerialOld(Old区用)的收集器组合
表示:新生代、老年代都会使用串行回收收集器,新生代使用复制算法,老年代使用标记-整理算法

4.2 ParNew 收集器

ParNew(并行)收集器:使用多线程进行垃圾回收,在垃圾收集时,会Stop-the-World暂停其他所有的工作线程直到它收集结束。
ParNew收集器其实就是Seria收集器新生代的并行多线程版本,最常见的应用场景是配合老年代的CMS GC工作,其余的行为和Serial收集器完全一样,ParNew垃圾收集器在垃圾收集过程中同样也要暂停所有其他的工作线程。它是很多Java虚拟机运行在Server模式下新生代的默认垃圾收集器。

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常用对应JVM参数:-XX:+UseParNewGC,启用ParNew收集器,只影响新生代的收集,不影响老年代。开启参数后,会使用:ParNew(Young区用)+SerialOld的收集器组合,新生代使用复制算法,老年代采用标记-整理算法

但是,ParNew+Tenured这样的搭配,java8已经不再推荐。

-XX:ParallelGCThreads 限制线程数量,默认开启和CPU数目相同的线程数。

并行和并发概念补充:

  • 并行(Parallel) :指多条垃圾收集线程并行工作,但此时用户线程仍然处于等待状态。

  • 并发(Concurrent):指用户线程与垃圾收集线程同时执行(但不一定是并行,可能会交替执行),用户程序在继续运行,而垃圾收集器运行在另一个 CPU 上。

4.3 Parallel Scavenge 收集器

Parallel Scavenge收集器类似ParNew也是一个新生代垃圾收集器,使用复制算法,也是一个并行的多线程的垃圾收集器,俗称吞吐量优先收集器。总结就是串行收集器在新生代和老年代的并行化。
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-XX:+UseParallelGC
使用 Parallel 收集器+ 老年代串行
-XX:+UseParallelOldGC
使用 Parallel 收集器+ 老年代并行

它重点关注的是:可控制的吞吐量(Thoughput=运行用户代码时间/(运行用户代码时间+垃圾收集时间),也即比如程序运行100分钟,垃圾收集时间1分钟,吞吐量就是99%)。高吞吐量意味着高效利用CPU的时间,它多用于在后台运算而不需要太多交互的任务。

自适应调节策略也是ParallelScavenge收集器与ParNew收集器的一个重要区别。(自适应调节策略:虚拟机会根据当前系统的运行情况收集性能监控信息,动态调整这些参数以提供最合适的停顿时间(-XX:MaxGCPauseMillis)或最大的吞吐量。

常用JVM参数:-XX:+UseParaIIeIGC或-XX:+UseParaIIeIOldGC(可互相激活)使用ParallelScanvenge收集器开启该参数后:新生代使用复制算法,老年代使用标记·整理算法

补充:
-XX:ParaIIeIGCThreads=数字N,表示启动多少个GC线程
cpu>8,N=5/8
cpu<8,N=实际个数

4.4.Serial Old 收集器

SerialOld是 Serial垃圾收集器老年代版本,它同样是个单线程的收集器,使用标记-整理算法,这个收集器也主要是运行在Client默认的java虚拟机默认的年老代垃圾收集器。
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在Server模式下,主要有两个用途(了解版本己经到8及以后):

  1. 在JDK1.5之前版本中与新生代的Parallel Scavenge收集器搭配使用。(ParallelScavenge+SerialOld)

  2. 作为老年代版中使用CMS收集器的后备垃圾收集方案。

4.5 Parallel Old 收集器

ParallelOld收集器是ParaScavenge的老年代版本,使用多线程的标记-整理算法,Parallel Old收集器在JDK1.6才开始提供。
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在JDK1.6之前,新生代使用ParallelScavenge收集器只能搭配年老代的SerialOld收集器,只能保证新生代的吞吐量优先,无法保证整体的吞吐量。

ParallelOld正是为了在年老代同样提供吞吐量优先的垃圾收集器,如果系统对吞吐量要求比较高,JDK1.8后可以优先考虑新生代ParallelScavenge和年老代Parallel Old收集器的搭配策略。在JDK1.8及后(Parallel Scavenge+Parallel Old)

JVM常用参数:
-XX:+UseParallelOldGC使用ParallelOld收集器,设置该参数后,新生代Parallel+老年代ParallelOld

4.6 CMS 收集器

CMS收集器(ConcurrentMarkSweep:并发标记清除)是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器。适合应用在互联网站或者B/S系统的服务器上,这类应用尤其重视服务器的响应速度,希望系统停顿时间最短。

CMS非常适合堆内存大、CPU核数多的服务器端应用,也是G1出现之前大型应用的首选收集器。

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Concurrent Mark Sweep 并发标记清除,并发收集低停顿,并发指的是与用户线程一起执行。

开启该收集器的JVM参数:-XX:+UseConcMarkSreepGC,开启该参数后会自动将-XX:+UseParNewGC打开。开启该参数后,使用ParNew(Young区用)+CMS(Old区用)+SerialOld的收集器组合,SerialOld将作为CMS出错的后备收集器。

从名字中的Mark Sweep这两个词可以看出,CMS 收集器是一种 “标记-清除”算法实现的,它的运作过程相比于前面几种垃圾收集器来说更加复杂一些。整个过程分为四个步骤:

  1. 初始标记(CMS initial mark):只是标记一下GC Roots能直接关联的对象,速度很快,仍然需要暂停所有的工作线程

  2. 并发标记(CMS concurrent mark)和用户线程一起:进行GC Roots跟踪的过程,和用户线程一起工作,不需要暂停工作线程。主要标记过程,标记全部对象

  3. 重新标记(CMS remark):为了修正并发标记期间,因用户程序继续运行而导致标记产生变动的那一部分对象的标记记录,仍然需要暂停所有的工作线程。由于并发标记时,用户线程仍然运行,因此在正式清理前,再做修正。

  4. 并发清除(CMS concurrent sweep)和用户线程一起:清除GC Roots不可达对象,和用户线程一起工作,不需要暂停工作线程。基于标记结果,直接清理对象。

由于耗时最长的并发标记和并发清除过程中,垃圾收集线程可以和用户一起并发工作,所以总体上来看CMS收集器的内存回收和用户线程是一起并发地执行。

CMS优点:并发收集低停顿

CMS缺点:

  1. 并发执行,对cpu资源压力大:由于并发进行,CMS在收集与应用线程会同时会增加对堆内存的占用,也就是说,CMS必须要在老年代堆内存用尽之前完成垃圾回收,否则CMS回收失败时,将触发担保机制,串行老年代收集器将会以STW的方式进行上次GC,从而造成较大停顿时间。

  2. 采用的标记清除算法会导致大量碎片:标记清除算法无法整理空间碎片,老年代空间会随着应用时长被逐步耗尽,最后将不得不通过担保机制对堆内存进行压缩。CMS也提供了参数 -XX:MSFuIIGCsBeForeCompaction (默认0,即每次都进行内存整理)来指定多少次CMS收集之后,进行一次压缩的FullGC。

4.7 G1 收集器

G1(Garbage-Frist)收集器,是一款面向服务端应用的收集器。
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从官网的描述中,我们知道G1是一种服务器端的垃圾收集器,应用在多处理器和大容量内存环境中,在提高吞吐量的同时,尽可能的满足垃圾收集暂停时间的要求。另外,它还具有以下特性:

  1. 像CMS收集器一样,能与应用程序线程并发执行

  2. 整理空闲空间更快

  3. 需要更多的时间来预测GC停顿时间

  4. 不希望牺牲大量的吞吐性能

  5. 不需要更大的Java Heap

G1收集器的设计目标是取代CMS收集器,它同CMS相比,在以下方面表现更出色:

  1. G1是一个有整理内存过程的垃圾收集器,不会产生很多内存碎片

  2. G1的Stop-The-World(STW)更可控,G1在停顿时间上添加了预测机制,用户可以指定期望停顿时间。

CMS垃圾集器虽然减少了暂停应用程序的运行时间,但是它还是存在着内存碎片问题。于是,为了去除内存碎片问题,同时又保留CMS垃圾收集器低暂停时间的优点,JAVA7发布了一个新的垃圾收集器-G1垃圾收集器。

G1是在2012年才在jdk1.7u4中可用。oracle官方计划在jdk9中将G1变成默认的垃圾收集器以替代CMS。它是一款面向服务端应用的收集器,主要应用在多CPU和大内存服务器环境下,极大的减少垃圾收集的停顿时间,全面提升服务器的性能,逐步替换java8以前的CMS收集器。

主要改变是Eden,Survivor和Tenured等内存区域不再是连续的了,而是变成了一个个大小一样的region,每个region从1M到32M不等。一个region有可能属于Eden,Survivor或者Tenured内存区域。

G1特点
  1. G1能充分利用多CPU、多核环境硬件优势,尽量缩短STW

  2. G1整体上采用标记-整理算法,局部是通过复制算法,不会产生内存碎片。

  3. 宏观上看G1之中不再区分年轻代和老年代。把内存划分成多个独立的了区域(Region),可以近似理解为一个围棋的棋盘。

  4. G1收集器里面讲整个的内存区都混合在一起了,但其本身依然在小范围内要进行年轻代和老年代的区分,保留了新生代和老年代,但它们不再是物理隔离的,而是一部分Region的集合且不需要Region是连续的,也就是说依然会采用不同的GC方式来处理不同的区域。

  5. G1虽然也是分代收集器,但整个内存分区不存在物理上的年轻代与老年代的区别,也不需要完全独立的survivor(tospace)堆做复制
    准备。GI只有逻辑上的分代概念,或者说每个分区都可能随G1的运行在不同代之间前后切换;

G1底层原理
  1. Region区域化垃圾收集器

    1. 区域化内存划片Region,整体编为了一系列不连续的内存区域,避免了全内存区的GC操作。

    2. 核心思想是将整个堆内存区域分成大小相同的子区域(Region),在JVM启动时会自动设置这些子区域的大小,在堆的使用上,G1并不要求对象的存储一定是物理上连续的只要逻辑上连续即可,每个分区也不会固定地为某个代服务,可以按需在年轻代和老年代之间切换。启动时可以通过参数-XX:G1HeapRegionSize=n可指定分区大小(1MB~32MB,且必须是2的幂),默认将整堆划分为2048个分区。

    3. 大小范围在1MB~32MB,最多能设置2048个区域,也即能够支持的最大内存为:32MBx2048=65536MB=64G内存
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  2. G1算法将堆划分为若干个区域(Region),它仍然属于分代收集器

  3. 这些Region的一部分包含新生代,新生代的垃圾收集依然采用暂停所有应用线程的方式,将存活对象拷贝到老年代或者survivor空间。

  4. 这些Region的一部分包含老年代,G1收集器通过将对象从一个区域复制到另外一个区域,完成了清理工作。这就意味着,在正常的处理过程中,G1完成了堆的压缩(至少是部分堆的压缩),这样也就不会有CMS内存碎片问题的存在了。

  5. 在G1中,还有一种特殊的区域,叫Humongous(巨大的)区域
    如果一个对象占用的空间超过了分区容量50%以上,G1收集器就认为这是一个巨型对象。这些巨型对象默认直接会被分配在年老代,但是如果它是一个短期存在的巨型对象,就会对垃圾收集器造成负面影响。为了解决这个问题,G1划分了一个Humongous区,它用来专门存放巨型对象。如果一个H区装不下一个巨型对象,那么G1会寻找连续的H分区来存储。为了能找到连续的H区,有时候不得不启动Full GC。

G1回收步骤

G1 收集器下的 Young GC

针对 Eden 区进行收集,Eden 区耗尽后会被触发,主要是小区域收集 + 形成连续的内存块,避免内存碎片。

  • Eden 区的数据移动到 Survivor 区,假如出现 Survivor 区空间不够,Eden 区数据会部分晋升到 Old 区

  • Survivor 区的数据移动到新的 Survivor 区,部分数据晋升到 Old

  • 最后 Eden 区收拾干净了,GC结束,用户的应用程序继续执行

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运行过程:

  1. 初始标记:只标记 GC Roots 能直接关联到的对象

  2. 并发标记:进行 GC Roots Tracing 的过程

  3. 最终标记:修正并发标记期间,因程序运行导致标记发生变化的那一部分对象

  4. 根据时间来进行价值最大化的回收
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和CMS相比的优势

比起CMS有两个优势:

  1. G1不会产生内存碎片。

  2. G1可以精确控制停顿。该收集器是把整个堆(新生代、老年代)划分成多个固定大小的区域,每次根据运行 停顿的时间去收集垃圾最多的区域。

4.8 小结

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15. 类加载过程

Class 文件需要加载到虚拟机中之后才能运行和使用,那么虚拟机是如何加载这些 Class 文件呢?

系统加载 Class 类型的文件主要三步:加载->连接->初始化。连接过程又可分为三步:验证->准备->解析
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1. 加载

类加载过程的第一步,主要完成下面3件事情:

  1. 通过全类名获取定义此类的二进制字节流

  2. 将字节流所代表的静态存储结构转换为方法区的运行时数据结构

  3. 在内存中生成一个代表该类的 Class 对象,作为方法区这些数据的访问入口
    虚拟机规范多上面这3点并不具体,因此是非常灵活的。比如:“通过全类名获取定义此类的二进制字节流” 并没有指明具体从哪里获取、怎样获取。比如:比较常见的就是从 ZIP 包中读取(日后出现的JAR、EAR、WAR格式的基础)、其他文件生成(典型应用就是JSP)等等。

一个非数组类的加载阶段(加载阶段获取类的二进制字节流的动作)是可控性最强的阶段,这一步我们可以去完成还可以自定义类加载器去控制字节流的获取方式(重写一个类加载器的 loadClass() 方法)。数组类型不通过类加载器创建,它由 Java 虚拟机直接创建。

类加载器、双亲委派模型也是非常重要的知识点,这部分内容会在后面的文章中单独介绍到。

加载阶段和连接阶段的部分内容是交叉进行的,加载阶段尚未结束,连接阶段可能就已经开始了。

2. 验证

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3. 准备

准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量初始值的阶段,这些内存都将在方法区中分配。对于该阶段有以下几点需要注意:

  1. 这时候进行内存分配的仅包括类变量(static),而不包括实例变量,实例变量会在对象实例化时随着对象一块分配在 Java 堆中。

  2. 这里所设置的初始值”通常情况”下是数据类型默认的零值(如0、0L、null、false等),比如我们定义了public static int value=111 ,那么 value 变量在准备阶段的初始值就是 0 而不是111(初始化阶段才会赋值)。特殊情况:比如给 value 变量加上了 fianl 关键字public static final int value=111 ,那么准备阶段 value 的值就被赋值为 111。

基本数据类型的零值:
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4. 解析

解析阶段是虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。解析动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型、方法句柄和调用限定符7类符号引用进行。

符号引用就是一组符号来描述目标,可以是任何字面量。直接引用就是直接指向目标的指针、相对偏移量或一个间接定位到目标的句柄。在程序实际运行时,只有符号引用是不够的,举个例子:在程序执行方法时,系统需要明确知道这个方法所在的位置。Java 虚拟机为每个类都准备了一张方法表来存放类中所有的方法。当需要调用一个类的方法的时候,只要知道这个方法在方发表中的偏移量就可以直接调用该方法了。通过解析操作符号引用就可以直接转变为目标方法在类中方法表的位置,从而使得方法可以被调用。

综上,解析阶段是虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程,也就是得到类或者字段、方法在内存中的指针或者偏移量。

5. 初始化

初始化是类加载的最后一步,也是真正执行类中定义的 Java 程序代码(字节码),初始化阶段是执行类构造器 <clinit> ()方法的过程。

对于<clinit>() 方法的调用,虚拟机会自己确保其在多线程环境中的安全性。因为<clinit>() 方法是带锁线程安全,所以在多线程环境下进行类初始化的话可能会引起死锁,并且这种死锁很难被发现。

对于初始化阶段,虚拟机严格规范了有且只有5种情况下,必须对类进行初始化:

  1. 当遇到 new 、 getstatic、putstatic或invokestatic 这4条直接码指令时,比如 new 一个类,读取一个静态字段(未被 final 修饰)、或调用一个类的静态方法时。

  2. 使用 java.lang.reflect 包的方法对类进行反射调用时 ,如果类没初始化,需要触发其初始化。

  3. 初始化一个类,如果其父类还未初始化,则先触发该父类的初始化。

  4. 当虚拟机启动时,用户需要定义一个要执行的主类 (包含 main 方法的那个类),虚拟机会先初始化这个类。

  5. 当使用 JDK1.7 的动态动态语言时,如果一个 MethodHandle 实例的最后解析结构为 REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic、的方法句柄,并且这个句柄没有初始化,则需要先触发器初始化。

6. 类加载器总结

JVM 中内置了三个重要的 ClassLoader,除了 BootstrapClassLoader 其他类加载器均由 Java 实现且全部继承自java.lang.ClassLoader:

  • BootstrapClassLoader(启动类加载器) :最顶层的加载类,由C++实现,负责加载 %JAVA_HOME%/lib目录下的jar包和类或者或被 -Xbootclasspath参数指定的路径中的所有类。

  • ExtensionClassLoader(扩展类加载器) :主要负责加载目录 %JRE_HOME%/lib/ext 目录下的jar包和类,或被 java.ext.dirs 系统变量所指定的路径下的jar包。

  • AppClassLoader(应用程序类加载器) :面向我们用户的加载器,负责加载当前应用classpath下的所有jar包和类。

7. 双亲委派模型介绍

每一个类都有一个对应它的类加载器。系统中的 ClassLoder 在协同工作的时候会默认使用 双亲委派模型 。即在类加载的时候,系统会首先判断当前类是否被加载过。已经被加载的类会直接返回,否则才会尝试加载。加载的时候,首先会把该请求委派该父类加载器的 loadClass() 处理,因此所有的请求最终都应该传送到顶层的启动类加载器 BootstrapClassLoader 中。当父类加载器无法处理时,才由自己来处理。当父类加载器为null时,会使用启动类加载器 BootstrapClassLoader 作为父类加载器。

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8. 双亲委派模型的好处

双亲委派模型保证了Java程序的稳定运行,可以避免类的重复加载(JVM 区分不同类的方式不仅仅根据类名,相同的类文件被不同的类加载器加载产生的是两个不同的类),也保证了 Java 的核心 API 不被篡改。如果没有使用双亲委派模型,而是每个类加载器加载自己的话就会出现一些问题,比如我们编写一个称为 java.lang.Object 类的话,那么程序运行的时候,系统就会出现多个不同的 Object 类。

Author: victor

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