1. 什么是garbage垃圾？

沒有任何引用指向的一個對象或者多個對象（循環(huán)引用），就是垃圾

1.1 Java與C++對于垃圾處理的區(qū)別

• Java
  GC處理垃圾
  開發(fā)效率高，執(zhí)行效率低
• C++
  手動處理垃圾
  忘記回收 -> 會導(dǎo)致內(nèi)存泄漏
  回收多次 -> 會造成非法訪問
  開發(fā)效率低，執(zhí)行效率高

2. 怎么定位垃圾

Java堆中存放著幾乎所有的對象實例，垃圾回收器在堆進行垃圾回收前，首先要判斷這些對象那些還存活，哪些成為了”垃圾“。定位“垃圾”有如下算法：
（1）引用計數(shù)法（ReferenceCount）
（2）根可達算法(RootSearching)

2.1 引用計數(shù)法（ReferenceCount）

引用計數(shù)法描述的算法為：給對象增加一個引用計數(shù)器，每當(dāng)有一個地方引用它時，計數(shù)器就+1；當(dāng)引用失效時，計數(shù)器就-1；任何時刻計數(shù)器為0的對象就是不能再被使用的，成為“垃圾”。

引用計數(shù)法實現(xiàn)簡單，判定效率也比較高，在大部分情況下都是一個比較好的算法。比如Python語言就是采用的引用計數(shù)法來進行內(nèi)存管理的。

但是，在主流的JVM中沒有選用引用計數(shù)法來管理內(nèi)存，最主要的原因是 引用計數(shù)法無法解決對象的循環(huán)引用問題。

2.2 根可達算法(RootSearching)

Java并不采用引用計數(shù)法來判斷對象是否已成為“垃圾”，而采用“根可達算法”來判斷對象是否存活（同樣采用此法的還有C#、Lisp-最早的一門采用動態(tài)內(nèi)存分配的語言）。

此算法的核心思想：通過一系列稱為“GC roots”的對象作為起始點，從這些節(jié)點開始向下搜索，搜索走過的路徑稱為“引用鏈”，當(dāng)一個對象到 GC roots 沒有任何的引用鏈相連時(從 GC roots 到這個對象不可達)時，證明此對象不可用，是垃圾。

哪些實例可以作為GC roots?

• JVM stack Java 虛擬機棧（棧幀中的本地變量表）引用的對象
• native method stack 本地方法棧中引用的對象
• run-time constant 運行時常量池
• static references in method area 方法區(qū)中靜態(tài)變量引用的對象

如圖:

Root Searching.png

3. GC Algorithms 垃圾回收算法

對存活對象和垃圾對象進行區(qū)分之后就需要進行回收了，垃圾回收算法有以下3種：

• Mark-Sweep （標(biāo)記清除）
• Copying（復(fù)制）
• Mark-Compact（標(biāo)記壓縮 或 標(biāo)記整理）

3.1 Mark-Sweep （標(biāo)記清除）

“標(biāo)記清除”算法是最基礎(chǔ)的回收算法。算法分為標(biāo)記和清除兩個階段：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(標(biāo)記過程使用根可達算法)。后續(xù)的回收算法都是基于這種思路并對其不足加以改進而已。

“標(biāo)記清除”算法的不足主要有兩個：

• 效率問題：標(biāo)記和清除這兩個過程的效率都不高
• 空間問題：標(biāo)記清除后會產(chǎn)生大量不連續(xù)的內(nèi)存碎片，空間碎片太多可能會導(dǎo)致以后在程序運行中需要分配較大對象時，無法找到足夠連續(xù)內(nèi)存而不得不提前觸發(fā)另一次垃圾回收。

標(biāo)記清除算法.png

3.2 Copying（復(fù)制）

“復(fù)制”算法是為了解決“標(biāo)記清除”的效率問題。它將可用內(nèi)存按容量劃分為大小相等的兩塊，每次只使用其中一塊。當(dāng)這塊內(nèi)存需要進行垃圾回收時，會將此區(qū)域還存活著的對象復(fù)制到另一塊上面，然后再把已經(jīng)使用過的內(nèi)存區(qū)域一次清理掉。這樣做的好處是每次都是對整個半?yún)^(qū)進行內(nèi)存回收，內(nèi)存分配時也就不需要考慮內(nèi)存碎片等的復(fù)雜情況，只需要移動堆頂指針，按順序分配即可。

此算法實現(xiàn)簡單，運行高效；不足之處是占用內(nèi)存多。

復(fù)制算法.png

3.3 Mark-Compact（標(biāo)記壓縮）

復(fù)制回收算法在對象存活率較高時會進行比較多的復(fù)制操作，效率會變低。因此在老年代一般不能使用復(fù)制算法。

針對老年代的特點，提出了一種“標(biāo)記整理算法”。標(biāo)記過程仍與“標(biāo)記清除”過程一致，但后續(xù)步驟不是直接對可回收對象進行清理，而是讓所有存活對象向一端移動，然后直接清理掉邊界以外的內(nèi)存。

好處是能整理出連續(xù)的內(nèi)存，不會產(chǎn)生碎片，方便對象分配，也不會將可用內(nèi)存減半；
不足：要掃描兩次，還要移動對象，效率偏低。

標(biāo)記壓縮（整理）算法.png

4. JVM邏輯分代模型（用于分代垃圾回收算法）

這是部分垃圾回收器使用的模型

除Epsilon ZGC Shenandoah之外的GC都是使用邏輯分代模型
G1是邏輯分代，物理不分代
除此之外不僅邏輯分代，而且物理分代

分代垃圾回收算法，并沒有新思想，只是根據(jù)對象存活周期的不同將內(nèi)存劃分為幾塊。
一般是把Java堆分為新生代和老年代。在新生代中，每次垃圾回收都有大批對象被回收，只有少量存活，因此采用復(fù)制算法；而老年代中對象存活率高、沒有額外空間對它進行分配擔(dān)保，就必須采用"標(biāo)記清理"或者"標(biāo)記壓縮"算法。

現(xiàn)在的商用虛擬機(包括HotSpot)都是采用這種收集算法來回收新生代
新生代中98%的對象都是"朝生夕死"的，所以并不需要按照1 : 1的比例來劃分內(nèi)存空間，而是將內(nèi)存(新生代內(nèi)存)分為一塊較大的Eden(伊甸園)空間和兩塊較小的Survivor(幸存者)空間，每次使用Eden和其中一塊Survivor（兩個Survivor區(qū)域一個稱為From區(qū)，另一個稱為To區(qū)域）。當(dāng)回收時，將Eden和Survivor中還存活的對象一次性復(fù)制到另一塊Survivor空間上，最后清理掉Eden和剛才用過的Survivor空間。
當(dāng)Survivor空間不夠用時，需要依賴其他內(nèi)存(老年代)進行分配擔(dān)保。
HotSpot默認(rèn)Eden與Survivor的大小比例是8 : 1，也就是說Eden:Survivor From : Survivor To = 8:1:1。所以每次新生代可用內(nèi)存空間為整個新生代容量的90%,而剩下的10%用來存放回收后存活的對象。

堆內(nèi)存邏輯分區(qū).png

4.1 對象從出生到消亡

對象會首先分配到stack棧中，如果棧中分配不下了，會分配到Eden區(qū)中。Eden區(qū)進行垃圾回收后，存活對象被復(fù)制到s1區(qū)，清空Eden區(qū)。當(dāng)觸發(fā)第二次垃圾回收時，將Eden區(qū)、s1區(qū)存活對象復(fù)制到s2區(qū)，清空eden和s1......

如此循環(huán)進行，對象被復(fù)制一次年齡加1，當(dāng)Survivor區(qū)對象的復(fù)制年齡超過限制時，進入Old區(qū)。

通過參數(shù)：-XX:MaxTenuringThreshold配置對象被復(fù)制的最大次數(shù)。

對象什么時候進入老年代？
對象頭mark word有4位是記錄對象年齡的，4位二進制最大是15，也就是說年齡最大為15

• 超過XX:MaxTenuringThreshold指定次數(shù)(YGC)
  • Parallel Scavenge回收器 15
  • CMS回收器 6
  • G1回收器 15
• 動態(tài)年齡
  • s1 --> s2 超過50%
  • 把年齡最大的放入old

4.1.1 對象的分配

• 棧上分配

  • 線程私有小對象
  • 無逃逸(只在某代碼段中使用)
  • 支持標(biāo)量替換(用普通類型屬性代替對象)
  • 優(yōu)化時無需調(diào)整

• 線程本地分配TLAB(Thread Local Allocation Buffer)

  • 占用eden，默認(rèn)1%(為避免對象分配時進行空間爭用線程同步影響效率，每個線程獨占eden區(qū)1%的空間)
  • 多線程時不用競爭eden就可以申請空間，提高效率
  • 小對象
  • 優(yōu)化時無需調(diào)整

• 老年代

  • 大對象

對象分配過程總結(jié)：

對象分配過程總結(jié).png

• eden

4.2 GC概念

GC概念.png