識別垃圾算法

• 引用計(jì)數(shù)法
• 可達(dá)性算法

清除垃圾算法

• 標(biāo)記清除算法
• 復(fù)制算法
• 標(biāo)記整理算法
• 分代回收

一、引用計(jì)數(shù)法

1.原理

統(tǒng)計(jì)每一個(gè)對象被引用的次數(shù)，如果引用次數(shù)為0就釋放對象。能立即回收無用內(nèi)存。

2.實(shí)現(xiàn)

當(dāng)一個(gè)對象要重新賦值引用時(shí)：

• 把新對象引用計(jì)數(shù)+1
• 老對象引用計(jì)數(shù)-1
• 賦值

偽代碼：

image.png

3.存在的問題

• 并發(fā)場景下，對引用計(jì)數(shù)的修改需要和對象指針的修改保證同步，往往需要加鎖或者復(fù)雜的無鎖算法
• 有時(shí)會(huì)引發(fā)連鎖式的回收
• 無法有效解決循環(huán)引用

循環(huán)引用.png

注意：要先加，再減，否則如果剛好減到0的話就會(huì)被回收了。

二、可達(dá)性分析算法（Java使用）

Java 虛擬機(jī)中的垃圾回收器采用可達(dá)性分析來探索所有存活的對象
掃描堆中的對象，看是否能夠沿著 GC Root對象 為起點(diǎn)的引用鏈找到該對象，找不到，表示可以回收

哪些對象可以作為 GC Root ?

image.png

• System Class:啟動(dòng)類加載器加載的類（Object ，HashMap，String）
• Native Stack
• Thread：活動(dòng)線程（局部變量所引用的對象）
• Busy Monitor：被加鎖的對象

image.png

public class GCRootsTest {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException, IOException {
        List<Object> list1 = new ArrayList<>();
        list1.add("a");
        list1.add("b");
        System.out.println(1);
        System.in.read();

        list1 = null;
        System.out.println(2);
        System.in.read();
        System.out.println("end...");
    }
}

hongcaixia@hongcaixiadeMacBook-Pro stringtable % jmap -dump:format=b,live,file=1.bin 66669
Dumping heap to /Users/hongcaixia/Documents/work/workspace/demo/target/classes/jvm/stringtable/1.bin ...
Heap dump file created
hongcaixia@hongcaixiadeMacBook-Pro stringtable % jmap -dump:format=b,live,file=2.bin 66669
Dumping heap to /Users/hongcaixia/Documents/work/workspace/demo/target/classes/jvm/stringtable/2.bin ...
Heap dump file created

三、復(fù)制算法

復(fù)制算法.png

1.原理

把程序運(yùn)行的堆分成大小相同的兩半，一半為from空間，一半為to空間。利用from空間進(jìn)行分配，當(dāng)空間不足以分配對象的時(shí)候，觸發(fā)GC。GC會(huì)把存活的對象全部復(fù)制到to空間。復(fù)制完成以后，會(huì)把from和to互換。

2.特點(diǎn)

• 1.分配采用bump the pointer，每次都把top指針向后移動(dòng)即可。復(fù)制的存活對象多大，指針就移動(dòng)多大。
• 2.回收是否高效取決于存活對象的比例。存活對象越少，效率越高
• 3.無內(nèi)存碎片
• 4.需要浪費(fèi)一半內(nèi)存空間
• 5.需要停頓
• 6.實(shí)現(xiàn)簡單

在整理的過程 需要停頓業(yè)務(wù)線程，因?yàn)樵谡韺ο蟮倪^程，指針會(huì)發(fā)生改變。

3.對象位置發(fā)生變化，指向的引用維護(hù)方法

1??引入中間層

引入間接指針.png

雖然在復(fù)制的過程中變得簡單，但是中間層的分配和回收并不容易做；而且每次訪問對象屬性都變成了再次訪問，性能的退化也是不能接受的。

2??使用forwarding指針

使用forwarding指針.png

1.A復(fù)制到to空間
2.因?yàn)锳指向著C，所以C也直接復(fù)制到to空間，修改C的引用，讓A指向C'
3.B復(fù)制到to空間，但是B的指針還是指向的from空間的C；
4.在第二步C復(fù)制到to空間時(shí)，讓C指向新的C'地址（forwarding指針）。
5.B從C中的對象頭中拿到forwarding，指向新的C'。

4.提高空間利用率

將Eden空間分配成Eden，Survivor0和Survivor1區(qū)域。這樣Survivor空間的浪費(fèi)就可以減少了。
配置Survivor空間大小是JVM GC調(diào)參中的重要參數(shù)。
例如 -XX:SurvivorRatio=8 代表Eden:S0:S1=8:1:1

提高空間利用率.png

from：S1+Eden
to：S0
第一次：把s1+Eden一起經(jīng)過回收存活的放入S1；

from：S0+Eden
to：S1
第二次：把S0+Eden一起經(jīng)過回收存活的放入S0；

浪費(fèi)的空間就只有S0或者S1的大小。

四、標(biāo)記清除法

標(biāo)記清除法.png

1.原理

使用鏈表管理所有的空閑區(qū)域。在Mark階段（標(biāo)在對象頭），將所有的存活對象識別出來，將不存活的對象所占用的內(nèi)存還給鏈表。

回收的這些對象所占用的內(nèi)存地址的起始和結(jié)束地址紀(jì)錄下來，放入空閑地址列表，下次再分配內(nèi)存時(shí)，在空閑地址列表中找是否有足夠的空閑空間容納新對象，有則使用。

2.特點(diǎn)

• 1.分配和回收都要操作鏈表
  分配要查詢鏈表哪個(gè)位置可以放得下這個(gè)對象，回收再將內(nèi)存還給鏈表
• 2.有內(nèi)存碎片
• 3.總體的內(nèi)存空間利用率較高
• 4.可以用很小的代價(jià)實(shí)現(xiàn)并發(fā)標(biāo)記和清除（在標(biāo)記的過程中對象指針不會(huì)發(fā)生變化，不需要停止業(yè)務(wù)線程）
• 5.速度快

五、標(biāo)記整理

沒有內(nèi)存碎片，利用率高，算法相對復(fù)雜，速度慢

image.png

1.找出需要回收的
2.把存活的對象放到回收的地方

分代算法：三色標(biāo)記+寫屏障
ZGC：顏色指針+讀屏障

新生代Serial和老年代Serial Old的組合

六、分代回收

1.新創(chuàng)建的對象嘗試放到eden,如果該對象比eden總量都大，那么直接放到老年代
2.eden沒有足夠的空間，觸發(fā)一次minorGC，將eden和from區(qū)的存活對象，移動(dòng)到to區(qū)，對象年齡+1。然后將eden和from區(qū)進(jìn)行回收。最后 from區(qū)和to區(qū)互換3、如果to去沒有足夠的空間，那么將滿足條件的對象移入到老年代，對象的年齡達(dá)到了一定數(shù)值，6、15
4、移動(dòng)過程中老年代空間也不足了。需要回收老年代的mojorGC,往往回收老年代的時(shí)候需要將整個(gè)堆空間一并回收fullGC

新生代：Serial，ParNew，Parallel Scavenge
老年代：Serial Old，CMS，Parallel Old

即可在新生代，也可在老年代：G1，ZGC

分代回收：三色標(biāo)記+寫屏障
ZGC：顏色指針+讀屏障

垃圾回收器

1. 串行單線程
   堆內(nèi)存較小，適合個(gè)人電腦
2. 吞吐量優(yōu)先
   多線程
   堆內(nèi)存較大，多核 cpu
   讓單位時(shí)間內(nèi)，STW 的時(shí)間最短 0.2 0.2 = 0.4，垃圾回收時(shí)間占比最低，這樣就吞吐量高
3. 響應(yīng)時(shí)間優(yōu)先
   多線程
   堆內(nèi)存較大，多核 cpu
   盡可能讓單次 STW 的時(shí)間最短 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 = 0.5

Serial+Serial Old

-XX:+UseSerialGC = Serial + SerialOld

image.png

沒有內(nèi)存碎片

新生代 Parallel Scavenge/ParNew和年老代Serial Old搭配

image.png

新生代Parallel Scavenge和老年代 Parallel Old

-XX:+UseParallelGC ~ -XX:+UseParallelOldGC(只要開啟一個(gè)，另一個(gè)自動(dòng)開啟)

image.png

-XX:ParallelGCThreads=n 控制垃圾回收的線程數(shù)
-XX:+UseAdaptiveSizePolicy 采用自適應(yīng)大小調(diào)整策略（新生代大?。?br> -XX:GCTimeRatio=ratio 調(diào)整吞吐量，垃圾回收時(shí)間和總時(shí)間的占比（達(dá)不到目標(biāo)則調(diào)整堆空間大小）
-XX:MaxGCPauseMillis=ms 最大暫停毫秒數(shù)（默認(rèn)200毫秒）

七、CMS

-XX:+UseConcMarkSweepGC ~ -XX:+UseParNewGC ~ SerialOld（并發(fā)失敗退化為SerialOld）
（并發(fā)：用戶線程和垃圾回收線程可以一起執(zhí)行）

響應(yīng)時(shí)間優(yōu)先：
-XX:ParallelGCThreads=n（并行的線程數(shù)） ~ -XX:ConcGCThreads=threads（并發(fā)線程數(shù)）
-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=percent（執(zhí)行垃圾回收的內(nèi)存占比，需要預(yù)留空間給浮動(dòng)垃圾）
-XX:+CMSScavengeBeforeRemark（在重新標(biāo)記之前對新生代進(jìn)行一次垃圾回收，減少重新標(biāo)記時(shí)要掃描的對象）

image.png

• 初始標(biāo)記：stop-the-world,標(biāo)記GCRoots直接關(guān)聯(lián)的對象
• 并發(fā)標(biāo)記：并發(fā)追溯標(biāo)記，程序不會(huì)停頓
• 重新標(biāo)記：暫停虛擬機(jī)，掃描CMS堆中的剩余對象
• 并發(fā)清理：清理垃圾對象，程序不會(huì)停頓
• 并發(fā)重置：重置CMS收集器的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

Promotion Fail:
當(dāng)年輕代進(jìn)行minor gc時(shí)，把eden和from放到to區(qū)的時(shí)候，to區(qū)不夠用了，需要把存活的對象移動(dòng)至老年代，當(dāng)老年代沒有足夠的空間或者有足夠的空間但是太碎片化（標(biāo)記-清除算法）時(shí)，就會(huì)發(fā)生Promotion Fail。
此時(shí)，會(huì)將CMS降級為Serial Old。執(zhí)行full gc
解決辦法：當(dāng)標(biāo)記清除了一定次數(shù)之后，把老年代進(jìn)行整理。調(diào)大老年代/調(diào)大新生代。

標(biāo)記算法：三色標(biāo)記法

• 黑：已經(jīng)完成標(biāo)記
• 灰：標(biāo)記了一部分（類中某些成員還未標(biāo)記）
• 白：未標(biāo)記
  由于GC線程和業(yè)務(wù)線程同時(shí)執(zhí)行，就會(huì)導(dǎo)致漏標(biāo)和錯(cuò)標(biāo)。
  漏標(biāo)：再重新標(biāo)記
  錯(cuò)標(biāo)：Incremental Update

當(dāng)已經(jīng)標(biāo)記完的對象又被某個(gè)線程重新指向的時(shí)候，將黑色換成灰色。

八、G1

-XX:+UseG1GC
適用場景

• 同時(shí)注重吞吐量（Throughput）和低延遲（Low latency），默認(rèn)的暫停目標(biāo)是 200 ms
• 超大堆內(nèi)存，會(huì)將堆劃分為多個(gè)大小相等的 Region
• 整體上是 標(biāo)記+整理 算法，兩個(gè)區(qū)域之間是 復(fù)制 算法

image.png

邏輯分區(qū)，三色標(biāo)記+寫屏障
借助SATB算法，snapshot at the begins

第一階段：YoungGC的過程:

會(huì) STW

image.png

image.png

第二階段：YoungGC+concurrent mark

在 Young GC 時(shí)會(huì)進(jìn)行 GC Root 的初始標(biāo)記
老年代占用堆空間比例達(dá)到閾值時(shí)，進(jìn)行并發(fā)標(biāo)記（不會(huì) STW），由下面的 JVM 參數(shù)決定-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=percent （默認(rèn)45%）

image.png

第三階段：MixGC過程

會(huì)對 E、S、O 進(jìn)行全面垃圾回收
最終標(biāo)記（Remark）會(huì) STW
拷貝存活（Evacuation）會(huì) STW
-XX:MaxGCPauseMillis=ms

image.png

根據(jù)最大暫停時(shí)間有選擇的回收

• 初始標(biāo)記：標(biāo)記出GCRoot對象，以及GCRoot所在的Region(RootRegion)
• Root Region Scanning:掃表整個(gè)old的Region（查看root region的rset是否有引用）
• 并發(fā)標(biāo)記：并發(fā)追溯標(biāo)記，進(jìn)行GCRootsTracing的過程（只標(biāo)記gcroot中的rset這部分）
• 最終標(biāo)記：修正并發(fā)標(biāo)記期間，因程序運(yùn)行導(dǎo)致標(biāo)記發(fā)生變化的那一部分對象（SATB算法）
• 清理回收：根據(jù)時(shí)間來進(jìn)行價(jià)值最大化的回收，重置rset

1.標(biāo)記gcroot和gc root 所在的region
2.掃描gc root region和rset中的root
3.對rset進(jìn)行標(biāo)記
4.針對漏標(biāo)，錯(cuò)標(biāo)，使用SATB算法重新標(biāo)記
5.回收，重置rset

G1相關(guān)的參數(shù)配置：

• -XX:+UseG1GC ：設(shè)置使用 G1 垃圾回收器
• -XX:MaxGCPauseMillis=n ：最大 GC 停頓時(shí)間，毫秒值
• -XX:InitatingHeapOccupancyPercent=n：當(dāng)堆空間占用到 n 兆時(shí)就觸發(fā) GC(45)
• -XX:GoncGCThreads=n：并發(fā) GC 使用的線程數(shù)
• -XX：G1ReserverPercent=n：設(shè)置作為空閑空間的預(yù)留內(nèi)存百分比(10%)
  -XX:G1HeapRegionSize=size（設(shè)置每個(gè)region大小）

YoungGC跨代引用問題

image.png

• 卡表與 Remembered Set
• 在引用變更時(shí)通過 post-write barrier + dirty card queue（當(dāng)有引用新生代時(shí)標(biāo)記為臟card，減少掃描范圍）
• concurrent refinement threads 更新 Remembered Set

Remark

pre-write barrier + satb_mark_queue

image.png

當(dāng)引用發(fā)生改變時(shí)，加入寫屏障，把發(fā)生了引用的對象加入到隊(duì)列中，將對象的顏色改為灰色，重新標(biāo)記階段會(huì)把隊(duì)列中的對象再標(biāo)記一次。

優(yōu)化點(diǎn)1:JDK 8u20 字符串去重

• 優(yōu)點(diǎn)：節(jié)省大量內(nèi)存
• 缺點(diǎn)：略微多占用了 cpu 時(shí)間，新生代回收時(shí)間略微增加

-XX:+UseStringDeduplication

String s1 = new String("hello"); // char[]{'h','e','l','l','o'}
String s2 = new String("hello"); // char[]{'h','e','l','l','o'}

• 將所有新分配的字符串放入一個(gè)隊(duì)列
• 當(dāng)新生代回收時(shí)，G1并發(fā)檢查是否有字符串重復(fù)
• 如果它們值一樣，讓它們引用同一個(gè) char[]
• 注意，與 String.intern() 不一樣
  • String.intern() 關(guān)注的是字符串對象
  • 而字符串去重關(guān)注的是 char[]
  • 在 JVM 內(nèi)部，使用了不同的字符串表

優(yōu)化點(diǎn)2:DK 8u40 并發(fā)標(biāo)記類卸載

所有對象都經(jīng)過并發(fā)標(biāo)記后，就能知道哪些類不再被使用，當(dāng)一個(gè)類加載器的所有類都不再使用，則卸載它所加載的所有類

-XX:+ClassUnloadingWithConcurrentMark 默認(rèn)啟用

優(yōu)化點(diǎn)3:JDK 8u60 回收巨型對象

• 一個(gè)對象大于 region 的一半時(shí)，稱之為巨型對象
• G1 不會(huì)對巨型對象進(jìn)行拷貝
• 回收時(shí)被優(yōu)先考慮
• G1 會(huì)跟蹤老年代所有 incoming 引用，這樣老年代 incoming 引用為0 的巨型對象就可以在新生代垃圾回收時(shí)處理掉

優(yōu)化點(diǎn)4: JDK 9 并發(fā)標(biāo)記起始時(shí)間的調(diào)整

• 并發(fā)標(biāo)記必須在堆空間占滿前完成，否則退化為 FullGC
• JDK 9 之前需要使用 -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent
• JDK 9 可以動(dòng)態(tài)調(diào)整
  • -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent 用來設(shè)置初始值
  • 進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣并動(dòng)態(tài)調(diào)整
  • 總會(huì)添加一個(gè)安全的空檔空間

九、ZGC

著色指針+讀屏障

十、JVM相關(guān)參數(shù)

/**
 *  演示內(nèi)存的分配策略
 */
public class Demo1 {
    private static final int _512KB = 512 * 1024;
    private static final int _1MB = 1024 * 1024;
    private static final int _6MB = 6 * 1024 * 1024;
    private static final int _7MB = 7 * 1024 * 1024;
    private static final int _8MB = 8 * 1024 * 1024;

    // -Xms20M -Xmx20M -Xmn10M -XX:+UseSerialGC -XX:+PrintGCDetails -verbose:gc -XX:-ScavengeBeforeFullGC
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new Thread(() -> {
            ArrayList<byte[]> list = new ArrayList<>();
            list.add(new byte[_8MB]);
            list.add(new byte[_8MB]);
        }).start();

        System.out.println("sleep....");
        Thread.sleep(1000L);
    }
}

image.png

線程內(nèi)的oom不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)進(jìn)程結(jié)束。