正文

垃圾收集器關(guān)注的是 Java 堆和方法區(qū)，因為這部分內(nèi)存的分配和回收是動態(tài)的。只有在程序處于運(yùn)行期間時才能知道會創(chuàng)建哪些對象，也才能知道需要多少內(nèi)存。

虛擬機(jī)棧和本地方法棧則不需要過多考慮回收的問題，因為棧中每一個棧幀分配多少內(nèi)存基本上是在類結(jié)構(gòu)確定下來時就已知的，因此這幾個區(qū)域的內(nèi)存分配和回收具有確定性。

一、對象已死嗎

垃圾收集器在對堆進(jìn)行回收前，第一件事就是要確定堆中對象哪些還“存活”著，哪些已“死去”（即不可能再被任何途徑使用的對象）。

1、 引用計數(shù)算法

給對象添加一個引用計數(shù)器，每當(dāng)有一個地方引用它時，計數(shù)器值加 1；當(dāng)引用失效時，計數(shù)器值減 1；任何時刻計數(shù)器為 0 的對象就是不可能再被使用的。

優(yōu)點：實現(xiàn)簡單，判定效率高。

缺點：很難解決對象之間相互循環(huán)引用的問題。

2、可達(dá)性分析算法

通過一系列被稱為“GC Roots”的對象作為起點，從這些節(jié)點開始向下搜索，搜索所走過的路徑稱為引用鏈，當(dāng)一個對象到 GC Roots 沒有任何引用鏈相連時，則此對象不可用。

Java 語言中，可作為 GC Roots 的對象：

• 虛擬機(jī)棧（棧幀中的本地變量表）中引用的對象。
• 方法區(qū)中類靜態(tài)屬性引用的對象。
• 方法區(qū)中常量引用對象。
• 本地方法棧中 JNI（即 Native 方法）引用的對象。

可達(dá)性分析算法中不可達(dá)的對象，至少要經(jīng)歷兩次標(biāo)記過程，才會被回收。

1. 發(fā)現(xiàn)沒有與 GC Roots 相連的引用鏈時，進(jìn)行第一次標(biāo)記。
2. 當(dāng)對象覆蓋了 finalize() 方法，并且沒有被調(diào)用過時，將會被放入一個叫做 F-Queue 的隊列中，稍后 GC 將對 F-Queue 中的對象進(jìn)行第二次標(biāo)記。如果在 finalize() 方法中，對象沒有重新與引用鏈上的一個對象建立關(guān)聯(lián)，那么將會被回收。

3、四種引用

無論是引用計數(shù)算法，還是可達(dá)性分析算法，判斷對象是否存活都與“引用”有關(guān)。Java 中有 4 種引用，按強(qiáng)度由強(qiáng)至弱依次為：強(qiáng)引用、軟引用、弱引用、虛引用。

• 強(qiáng)引用：類似“Object obj = new Object()”的引用。只要強(qiáng)引用還存在，對象就永遠(yuǎn)不會回收。
• 軟引用：用來描述一些還有用但并非必需的對象。內(nèi)存不足時，對象有可能被回收?？赏ㄟ^ SoftReference 類實現(xiàn)軟引用。
• 弱引用：用來描述非必需的對象，但強(qiáng)度比軟引用弱。GC時，無論內(nèi)存是否足夠，對象都會被回收?？赏ㄟ^ WeakReference 類來實現(xiàn)弱引用。
• 虛引用：也稱幽靈引用或幻影引用，虛引用不會對對象的生存時間構(gòu)成影響。虛引用的唯一作用就是能在對象被回收時收到一個系統(tǒng)通知?？赏ㄟ^ PhantomReference 類實現(xiàn)虛引用。

4、回收方法區(qū)

永久代的垃圾收集主要回收兩部分內(nèi)容：廢棄常量和無用的類。

如何判定廢棄常量：

• 常量池中的常量（字面量、符號引用）沒有在任何地方被引用。

如何判定無用的類：

• 該類的所有實例都已被回收。
• 加載該類的 ClassLoader 已被回收。
• 該類對應(yīng)的 java.lang.Class 對象沒有在任何地方被引用，無法在任何地方通過反射訪問該類的方法。

二、垃圾收集算法

1、標(biāo)記-清除算法

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，然后再統(tǒng)一回收所有被標(biāo)記的對象。

該算法會產(chǎn)生大量不連續(xù)的內(nèi)存碎片，因而在分配較大對象時，可能會由于無法找到足夠的連續(xù)內(nèi)存而不得不提前觸發(fā)一次 GC。

2、復(fù)制算法

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)一塊內(nèi)存用完時，就將還存活的對象復(fù)制到另一塊，然后再把已使用過的內(nèi)存空間一次清理掉。

該算法的代價是始終會有一塊內(nèi)存被“浪費(fèi)”掉。

由于新生代的對象 98% 是“朝生夕死”，因此并不需要按 1:1 的比例來劃分內(nèi)存空間?，F(xiàn)在的商業(yè)虛擬機(jī)，是將內(nèi)存劃分為一塊較大的 Eden 空間和兩塊較小的 Survivor 空間，每次使用 Eden 和其中一塊 Survivor。當(dāng)回收時，將 Eden 和 Survivor 中還存活的對象復(fù)制到另一塊 Survivor 上，最后清理掉 Eden 和使用過的 Survivor。

HotSpot 虛擬機(jī)默認(rèn) Eden 和 Survivor 的大小比例是 8:1。

分配擔(dān)保機(jī)制：
當(dāng)另一塊 Survivor 沒有足夠空間來存放存活對象時，則需要其他內(nèi)存（老年代）進(jìn)行分配擔(dān)保，將對象移入其他內(nèi)存（老年代）。

3、標(biāo)記-整理算法

首先標(biāo)記出所有需要回收的對象，然后將所有存活對象向一端移動，最后直接清理掉端邊界以外的內(nèi)存。

4、分代收集算法

根據(jù)對象存活周期的不同，將 Java 堆劃分為新生代和老年代，然后根據(jù)各個年代的特點采用最適當(dāng)?shù)氖占惴ā?/p>

• 新生代：采用復(fù)制算法。因為新生代每次 GC 都有大量對象死去，故只需付出少量存活對象的復(fù)制成本即可完成 GC。
• 老年代：采用“標(biāo)記-清除”或“標(biāo)記-整理”算法。因為老年代中對象存活率高，而且沒有額外空間進(jìn)行分配擔(dān)保。

三、HotSpot 的算法實現(xiàn)

1、枚舉根節(jié)點

可達(dá)性分析時，需要枚舉 GC Roots 節(jié)點，以便標(biāo)記出所有的不可用對象。

可作為 GC Roots 的節(jié)點主要在全局引用（例如常量或類靜態(tài)屬性）與執(zhí)行上下文（例如棧幀中的本地變量表）中。如果逐個檢查里面的引用，會消耗很多時間。因此，目前主流的 Java 虛擬機(jī)使用準(zhǔn)確式 GC 來完成 GC Roots 枚舉。

Stop The World（STW）：
可達(dá)性分析期間，不可以出現(xiàn)對象引用關(guān)系還在不斷變化的情況。因此 GC 時，必須停頓所有 Java 執(zhí)行線程，此時整個執(zhí)行系統(tǒng)看起來就像被凍結(jié)某個時間點上。

準(zhǔn)確式 GC：
虛擬機(jī)可以直接得知哪些地方存放著對象引用，因此 STW 時，不需要一個不漏地檢查所有執(zhí)行上下文和全局的引用位置。

HotSpot 中準(zhǔn)確式 GC 的實現(xiàn)：
HotSpot 使用一組稱為 OopMap 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來記錄對象的引用位置。這樣，GC 在掃描時就可以直接得知對象的引用位置信息。

類加載完成時，HotSpot 會把對象內(nèi)什么偏移量上是什么類型的數(shù)據(jù)計算出來記錄到 OopMap 中。JIT 編譯過程中，也會在 OopMap 中記錄下棧和寄存器中哪些位置是引用。

2、安全點

HotSpot 只在特定的位置上記錄了 OopMap，這些位置稱為安全點。

程序執(zhí)行時，只有到達(dá)安全點才能停頓下來進(jìn)行 GC。因為只有到達(dá)安全點，才能訪問到 OopMap 記錄。

如何在 GC 時讓線程跑到最近的安全點再停頓下來：

• 搶先式中斷：GC 時，先中斷所有線程，如果發(fā)現(xiàn)有線程中斷的地方不在安全點上，就恢復(fù)線程，讓它跑到安全點上。
• 主動式中斷：GC 時，設(shè)置一個中斷標(biāo)志，各個線程執(zhí)行時主動去輪詢這個標(biāo)志，發(fā)現(xiàn)中斷標(biāo)志為真時就自己中斷掛起。

3、安全區(qū)域

安全區(qū)域是指一段代碼片段中，引用關(guān)系不會發(fā)生變化。在這個區(qū)域中的任意地方開始 GC 都是安全的?？梢园寻踩珔^(qū)域看做是被擴(kuò)展了的安全點。

為什么需要安全區(qū)域：
當(dāng)線程沒有分配 CPU 時間時，將無法響應(yīng) JVM 的中斷請求，跑到安全點中斷掛起，JVM 也不太可能等待線程重新被分配 CPU 時間。這種情況就需要安全區(qū)域來解決。

安全區(qū)域的使用：

1. 線程執(zhí)行到安全區(qū)域的代碼時，標(biāo)識自己進(jìn)入了安全區(qū)域。
2. JVM 發(fā)起 GC 時，不用管進(jìn)入安全區(qū)域的線程。
3. 線程要離開安全區(qū)域時，必須檢查系統(tǒng)是否完成了根節(jié)點枚舉（或整個 GC 過程）。如果完成了，線程就繼續(xù)執(zhí)行，否則必須等待，直到收到可以離開安全區(qū)域的信號。

四、垃圾收集器

1、Serial 收集器

• 最基本、歷史最悠久的收集器。
• 單線程收集器：使用一個 CPU 或一條線程進(jìn)行垃圾收集。
• 新生代收集器，是運(yùn)行在 Client 模式下的虛擬機(jī)的默認(rèn)新生代收集器。
• 簡單而高效，單個 CPU 下，沒有線程交互的開銷。

2、ParNew 收集器

• Serial 收集器的多線程版本。
• 新生代收集器，是許多運(yùn)行在 Server 模式下的虛擬機(jī)中首選的新生代收集器。
• 除了 Serial 收集器外，目前只有它能與 CMS 收集器配合工作。
• 默認(rèn)開啟的收集線程數(shù)與 CPU 數(shù)量相同。

3、Parallel Scavenge 收集器

• 多線程收集器。
• 新生代收集器。
• 關(guān)注吞吐量，即 CPU 用于運(yùn)行用戶代碼的時間與 CPU 總消耗時間的比值。高吞吐量可以高效利用 CPU 時間，盡快完成程序的運(yùn)算任務(wù)，適合于在后臺運(yùn)算而不需要太多交互的任務(wù)。
• 可開啟自適應(yīng)調(diào)節(jié)策略，把內(nèi)存管理的調(diào)優(yōu)任務(wù)交給虛擬機(jī)去完成。

自適應(yīng)調(diào)節(jié)策略：
虛擬機(jī)根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行情況收集性能監(jiān)控信息，動態(tài)調(diào)整虛擬機(jī)參數(shù)以提供最合適的停頓時間或最大的吞吐量。

4、Serial Old 收集器

• Serial 收集器的老年代版本。
• 單線程收集器。
• 使用“標(biāo)記-整理”算法。
• 給 Client 模式下的虛擬機(jī)使用。

5、Parallel Old 收集器

• Parallel Scavenge 收集器的老年代版本。
• 多線程收集器。
• 使用“標(biāo)記-整理”算法。
• 在注重吞吐量以及 CPU 資源敏感的場合，可優(yōu)先考慮 Parallel Scavenge 加 Parallel Old 收集器。

6、CMS 收集器

• CMS：Concurrent Mark Sweep。
• 并發(fā)收集器：垃圾收集線程與用戶線程（基本上）同時工作。
• 使用“標(biāo)記-清除”算法。
• 關(guān)注點是如何縮短垃圾收集時用戶線程的停頓時間。停頓時間短意味著響應(yīng)速度快，因此它適合于需要與用戶交互的應(yīng)用。

CMS 運(yùn)作過程：

1. 初始標(biāo)記：標(biāo)記 GC Roots 能直接關(guān)聯(lián)到的對象，需要 STW。
2. 并發(fā)標(biāo)記：進(jìn)行 GC Roots Tracing 的過程，即可達(dá)性分析。
3. 重新標(biāo)記：修正并發(fā)標(biāo)記期間引用關(guān)系發(fā)生變化的那一部分對象的標(biāo)記記錄，需要 STW。
4. 并發(fā)清除：清除垃圾對象。

CMS 的缺點：

• 對 CPU 資源非常敏感。并發(fā)階段雖然不會導(dǎo)致用戶線程停頓，但是會因為占用了一部分線程（或者說 CPU 資源）導(dǎo)致應(yīng)用程序變慢，總吞吐量會降低。
• 無法處理浮動垃圾。并發(fā)清除階段產(chǎn)生的垃圾稱為“浮動垃圾”，這部分垃圾只能等下次 GC 再清除。
• 會產(chǎn)生大量內(nèi)存碎片。內(nèi)存碎片過多時會提前觸發(fā) Full GC，CMS 收集器默認(rèn)會在 Full GC 時開啟內(nèi)存碎片的合并整理過程。

7、G1 收集器

• G1：Garbage-First。
• 是一款面向服務(wù)端應(yīng)用的垃圾收集器。

G1 特點：

• 并行與并發(fā)
• 分代收集
• 空間整合：G1 從整體上看是基于“標(biāo)記-整理”算法，從局部上（兩個 Region 之間）看是基于復(fù)制算法。因此，不會產(chǎn)生內(nèi)存空間碎片。
• 可預(yù)測的停頓：G1 能通過建立可預(yù)測的停頓時間模型，讓使用者明確指定在 M 毫秒的時間片段內(nèi)，消耗在垃圾收集上的時間不得超過 N 毫秒。

Region：
G1 將整個 Java 堆劃分為多個大小相等的獨立區(qū)域（Region），雖然還保留新生代和老年代的概念，但新生代和老年代不再是物理隔離的，而是一部分 Region（不需要連續(xù)）的集合。

可預(yù)測的時間停頓模型：
G1 之所以能建立可預(yù)測的時間停頓模型，是因為它可以有計劃地避免在整個 Java 堆中進(jìn)行全區(qū)域的垃圾收集。

G1 跟蹤各個 Region 的垃圾堆積的價值大小（回收所獲得的空間大小及所需時間），在后臺維護(hù)一個優(yōu)先列表，每次根據(jù)允許的收集時間，優(yōu)先回收價值最大的 Region（Garbage-First 名稱的由來）。

G1 運(yùn)作過程：

1. 初始標(biāo)記：標(biāo)記 GC Roots 能直接關(guān)聯(lián)的對象，并修改 TAMS（Next Top at Mark Start）的值，讓下一階段用戶程序并發(fā)運(yùn)行時，能在正確可用的 Region 中創(chuàng)建新對象。需要 STW。
2. 并發(fā)標(biāo)記：進(jìn)行可達(dá)性分析。
3. 最終標(biāo)記：修正并發(fā)標(biāo)記期間引用關(guān)系發(fā)生變化的那一部分對象的標(biāo)記記錄。需要 STW。
4. 篩選回收：對各個 Region 的回收價值和成本進(jìn)行排序，根據(jù)用戶所期望的 GC 停頓時間制定回收計劃。

五、內(nèi)存分配與回收策略

1、對象優(yōu)先在 Eden 分配

• 大多數(shù)情況下，對象在新生代的 Eden 區(qū)中分配。
• 當(dāng) Eden 區(qū)沒有足夠空間進(jìn)行分配時，虛擬機(jī)將發(fā)起一次 Minor GC。

2、大對象直接進(jìn)入老年代

• 大對象是指需要大量連續(xù)內(nèi)存空間的 Java 對象。
• 經(jīng)常出現(xiàn)大對象容易導(dǎo)致內(nèi)存還有不少空間時，就提前觸發(fā) GC 以獲取足夠的連續(xù)空間來安置它們。
• 由于新生代采用復(fù)制算法收集內(nèi)存，因此為了避免在 Eden 區(qū)及兩個 Survivor 區(qū)之間發(fā)生大量的內(nèi)存復(fù)制，大對象將直接進(jìn)入老年代。

3、 長期存活的對象進(jìn)入老年代

• 虛擬機(jī)給每個對象定義了一個對象年齡計數(shù)器。
• 對象在 Eden 出生并經(jīng)過一次 Minor GC 后仍然存活，并且能被 Survivor 容納的話，將移入 Survivor 中，并且對象年齡設(shè)為 1。
• 對象在 Survivor 中每“熬過”一次 Minor GC，則年齡加 1，當(dāng)對象年齡增加到一定程度（默認(rèn) 15 歲），將會晉升到老年代。

4、動態(tài)對象年齡判定

• 為了更好地適應(yīng)不同程序的內(nèi)存狀況，虛擬機(jī)并不要求對象必須達(dá)到某個年齡才能晉升老年代。
• 如果 Survivor 中相同年齡的對象大小總和，大于 Survivor 空間的一半，則大于等于該年齡的對象直接進(jìn)入老年代。

5、空間分配擔(dān)保

• 當(dāng)出現(xiàn)大量對象在 Minor GC 后仍然存活的情況，就需要老年代進(jìn)行分配擔(dān)保，讓 Survivor 無法容納的對象直接進(jìn)入老年代。