探究gc

基本收集算法

1. 复制：将堆内分成两个相同空间，从根(ThreadLocal的对象，静态对象）开始访问每一个关联的活跃对象，将空间A的活跃对象全部复制到空间B，然后一次性回收整个空间A。
   因为只访问活跃对象，将所有活动对象复制走之后就清空整个空间，不用去访问死对象，所以遍历空间的成本较小，但需要巨大的复制成本和较多的内存。
2. 标记清除(mark-sweep)：收集器先从根开始访问所有活跃对象，标记为活跃对象。然后再遍历一次整个内存区域，把所有没有标记活跃的对象进行回收处理。该算法遍历整个空间的成本较大暂停时间随空间大小线性增大，而且整理后堆里的碎片很多。
3. 标记整理(mark-sweep-compact)：综合了上述两者的做法和优点，先标记活跃对象，然后将其合并成较大的内存块。

垃圾回收描述：

在New Generation块中，垃圾回收一般用Copying的算法，速度快。每次GC的时候，存活下来的对象首先由Eden拷贝到某个Survivor Space, 当Survivor Space空间满了后,剩下的live对象就被直接拷贝到Old Generation中去。因此，每次GC后，Eden内存块会被清空。在Old Generation块中，垃圾回收一般用mark-compact的算法，速度慢些，但减少内存要求.
垃圾回收分多级，0级为全部(Full)的垃圾回收，会回收OLD段中的垃圾；1级或以上为部分垃圾回收，只会回收NEW中的垃圾，内存溢出通常发生于OLD段或Perm段垃圾回收后，仍然无内存空间容纳新的Java对象的情况。

当一个URL被访问时，内存申请过程如下：
A. JVM会试图为相关Java对象在Eden中初始化一块内存区域
B. 当Eden空间足够时，内存申请结束。否则到下一步
C. JVM试图释放在Eden中所有不活跃的对象（这属于1或更高级的垃圾回收）,释放后若Eden空间仍然不足以放入新对象，则试图将部分Eden中活跃对象放入Survivor区
D. Survivor区被用来作为Eden及OLD的中间交换区域，当OLD区空间足够时，Survivor区的对象会被移到Old区，否则会被保留在Survivor区
E. 当OLD区空间不够时，JVM会在OLD区进行完全的垃圾收集（0级）
F. 完全垃圾收集后，若Survivor及OLD区仍然无法存放从Eden复制过来的部分对象，导致JVM无法在Eden区为新对象创建内存区域，则出现”out of memory错误”

JVM调优建议:

ms/mx：定义YOUNG+OLD段的总尺寸，ms为JVM启动时YOUNG+OLD的内存大小；mx为最大可占用的YOUNG+OLD内存大小。在用户生产环境上一般将这两个值设为相同，以减少运行期间系统在内存申请上所花的开销。
NewSize/MaxNewSize：定义YOUNG段的尺寸，NewSize为JVM启动时YOUNG的内存大小；MaxNewSize为最大可占用的YOUNG内存大小。在用户生产环境上一般将这两个值设为相同，以减少运行期间系统在内存申请上所花的开销。
PermSize/MaxPermSize：定义Perm段的尺寸，PermSize为JVM启动时Perm的内存大小；MaxPermSize为最大可占用的Perm内存大小。在用户生产环境上一般将这两个值设为相同，以减少运行期间系统在内存申请上所花的开销。
SurvivorRatio：设置Survivor空间和Eden空间的比例

内存溢出的可能性

1. OLD段溢出
这种内存溢出是最常见的情况之一，产生的原因可能是：
1) 设置的内存参数过小(ms/mx, NewSize/MaxNewSize)
2) 程序问题
单个程序持续进行消耗内存的处理，如循环几千次的字符串处理，对字符串处理应建议使用StringBuffer。此时不会报内存溢出错，却会使系统持续垃圾收集，无法处理其它请求，相关问题程序可通过Thread Dump获取（见系统问题诊断一章）单个程序所申请内存过大，有的程序会申请几十乃至几百兆内存，此时JVM也会因无法申请到资源而出现内存溢出，对此首先要找到相关功能，然后交予程序员修改，要找到相关程序，必须在Apache日志中寻找。
当Java对象使用完毕后，其所引用的对象却没有销毁，使得JVM认为他还是活跃的对象而不进行回收，这样累计占用了大量内存而无法释放。由于目前市面上还没有对系统影响小的内存分析工具，故此时只能和程序员一起定位。

2. Perm段溢出
通常由于Perm段装载了大量的Servlet类而导致溢出，目前的解决办法：
1) 将PermSize扩大，一般256M能够满足要求
2) 若别无选择，则只能将servlet的路径加到CLASSPATH中，但一般不建议这么处理

3. C Heap溢出
系统对C Heap没有限制，故C Heap发生问题时，Java进程所占内存会持续增长，直到占用所有可用系统内存

其他：

JVM有2个GC线程。第一个线程负责回收Heap的Young区。第二个线程在Heap不足时，遍历Heap，将Young区升级为Older区。Older区的大小等于-Xmx减去-Xmn，不能将-Xms的值设的过大，因为第二个线程被迫运行会降低JVM的性能。

为什么一些程序频繁发生GC？有如下原因：

        程序内调用了System.gc()或Runtime.gc()。

        一些中间件软件调用自己的GC方法，此时需要设置参数禁止这些GC。

        Java的Heap太小，一般默认的Heap值都很小。

        频繁实例化对象，Release对象。此时尽量保存并重用对象，例如使用StringBuffer()和String()。

如果你发现每次GC后，Heap的剩余空间会是总空间的50%，这表示你的Heap处于健康状态。许多Server端的Java程序每次GC后最好能有65%的剩余空间。

经验之谈：

1．Server端JVM最好将-Xms和-Xmx设为相同值。为了优化GC，最好让-Xmn值约等于-Xmx的1/3[2]。

2．一个GUI程序最好是每10到20秒间运行一次GC，每次在半秒之内完成[2]。

注意：

1．增加Heap的大小虽然会降低GC的频率，但也增加了每次GC的时间。并且GC运行时，所有的用户线程将暂停，也就是GC期间，Java应用程序不做任何工作。

2．Heap大小并不决定进程的内存使用量。进程的内存使用量要大于-Xmx定义的值，因为Java为其他任务分配内存，例如每个线程的Stack等。

2．Stack的设定

每个线程都有他自己的Stack。

-Xss

每个线程的Stack大小

Stack的大小限制着线程的数量。如果Stack过大就好导致内存溢漏。-Xss参数决定Stack大小，例如-Xss1024K。如果Stack太小，也会导致Stack溢漏。

3．硬件环境

硬件环境也影响GC的效率，例如机器的种类，内存，swap空间，和CPU的数量。

如果你的程序需要频繁创建很多transient对象，会导致JVM频繁GC。这种情况你可以增加机器的内存，来减少Swap空间的使用[2]。

4．4种GC

第一种为单线程GC，也是默认的GC。，该GC适用于单CPU机器。

第二种为Throughput GC，是多线程的GC，适用于多CPU，使用大量线程的程序。第二种GC与第一种GC相似，不同在于GC在收集Young区是多线程的，但在Old区和第一种一样，仍然采用单线程。-XX:+UseParallelGC参数启动该GC。

第三种为Concurrent Low Pause GC，类似于第一种，适用于多CPU，并要求缩短因GC造成程序停滞的时间。这种GC可以在Old区的回收同时，运行应用程序。-XX:+UseConcMarkSweepGC参数启动该GC。

第四种为Incremental Low Pause GC，适用于要求缩短因GC造成程序停滞的时间。这种GC可以在Young区回收的同时，回收一部分Old区对象。-Xincgc参数启动该GC。

 

 

1．Java堆中各代分布：

图1：Java堆中各代分布

Young：主要是用来存放新生的对象。

Old：主要存放应用程序中生命周期长的内存对象。

Permanent：是指内存的永久保存区域，主要存放Class和Meta的信息,Class在被 Load的时候被放入PermGen space区域.它和和存放Instance的Heap区域不同,GC(Garbage Collection)不会在主程序运行期对PermGen space进行清理，所以如果你的APP会LOAD很多CLASS的话,就很可能出现PermGen space错误。

 

2．JVM使用的GC算法是什么？

分代收集。

即将内存分为几个区域，将不同生命周期的对象放在不同区域里；

在GC收集的时候，频繁收集生命周期短的区域(Young area)；

比较少的收集生命周期比较长的区域(Old area)；

基本不收集的永久区(Perm area)。

 

3．GC和 Full GC 有什么区别？

GC（或Minor GC）：收集生命周期短的区域(Young area)。

Full GC （或Major GC）：收集生命周期短的区域(Young area)和生命周期比较长的区域(Old area)。

他们的收集算法不同，所以使用的时间也不同。 GC效率也会比较高，我们要尽量减少 Full GC的次数。当显示调用System.gc()时，gc does a full collection(both young generation andtenured generation).

 

4．Minor GC后，Eden是空的吗？

是的，Minor GC会把Eden中的所有活的对象都移到Survivor区域中，如果Survivor区中放不下，那么剩下的活的对象就被移到Old generation 中。

 

5．Garbage collection options(JDK1.4)：

图2：GC参数

堆设置
-Xms :初始堆大小
-Xmx :最大堆大小
-XX:NewSize=n :设置年轻代大小
-XX:NewRatio=n: 设置年轻代和年老代的比值。如:为3，表示年轻代与年老代比值为1：3，年轻代占整个年轻代年老代和的1/4
-XX:SurvivorRatio=n :年轻代中Eden区与两个Survivor区的比值。注意Survivor区有两个。如：3，表示Eden：Survivor=3：2，一个Survivor区占整个年轻代的1/5
-XX:MaxPermSize=n :设置持久代大小
收集器设置
-XX:+UseSerialGC :设置串行收集器
-XX:+UseParallelGC :设置并行收集器
-XX:+UseParalledlOldGC :设置并行年老代收集器
-XX:+UseConcMarkSweepGC :设置并发收集器
垃圾回收统计信息
-XX:+PrintGC
-XX:+PrintGCDetails
-XX:+PrintGCTimeStamps
-Xloggc:filename
并行收集器设置
-XX:ParallelGCThreads=n :设置并行收集器收集时使用的CPU数。并行收集线程数。
-XX:MaxGCPauseMillis=n :设置并行收集最大暂停时间
-XX:GCTimeRatio=n :设置垃圾回收时间占程序运行时间的百分比。公式为1/(1+n)
并发收集器设置
-XX:+CMSIncrementalMode :设置为增量模式。适用于单CPU情况。
-XX:ParallelGCThreads=n :设置并发收集器年轻代收集方式为并行收集时，使用的CPU数。并行收集线程数。

 

6．例子：Heap size设置

场景：在JAVA_HOME下demo/jfc/SwingSet2/目录下执行下面的命令：

    java -jar -Xmn4m -Xms16m -Xmx16mSwingSet2.jar

系统输出：

Exception in thread "Image Fetcher 0" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

Exception in thread "Image Fetcher 3" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

Exception in thread "Image Fetcher 1" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

Exception in thread “Image Fetcher 2” java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

调优：将-Xms和-Xmx选项设置为32m，而-Xmn为1/4的-Xmx值。

结果：执行java -jar –Xmn8m –Xms32m -Xmx32m SwingSet2.jar，系统正常运行。

 

7．JVM Runtime DataArea（运行时数据区）：

图3：JVM运行时数据区(一)

Heap: JVM只有一个为所有线程所共享的堆，所有的类实例和数组都是在堆中创建的。

Method area: JVM只有一个为所有的线程所共享的方法区。它存储类结构，例如运行时常量池，成员和方法数据以及方法、构造方法的代码。

Java Stacks: 每个JVM线程拥有一个私有的栈。

Pc registers: JVM可以同时支持运行多个线程，因此每个线程需要各自的PC(program counter)寄存器。

Native method stacks: 保存native方法进入区域的地址 。

 

图4：JVM运行时数据区(二)

Heap和Method area被所有线程共享，其生存期和JVM的生存期相同；Java Stacks、Pc registers、Native method stacks被每个线程独自拥有，其生存期和线程的生存期相同。

 

 

 

 

8. 常见的内存泄露错误

很多开发人员都碰到过java.lang.OutOfMemoryError的错误。这种错误又分两种：java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space和java.lang.OutOfMemoryError:PermGen space。引起这种错误的原因可能是程序问题，也可能是是JVM参数配置问题引起的。若是参数问题，前者可以同过配置-Xms和-Xmx参数来设置，而后者可以通过配置 -XX:PermSize和-XX:MaxPermSize来设置。