一、對象是否已死

1. 引用計數(shù)

在對象中添加一個引用計數(shù)器，每當有一個地方引用它時就加一，失效時減一。
優(yōu)點：實現(xiàn)簡單；
缺點：無法解決循環(huán)引用；

2. 可達性分析

通過GCRoot作為起點集向下遍歷調用鏈，不在調用鏈上的對象就是不可能再被使用的對象。
GCRoots包括以下幾種：
1. 棧中引用的對象，即棧中局部變量表LocalVariableTable；
2. 方法區(qū)中static和final屬性引用的對象，例如常量池；
3. 本地方法棧中Native方法引用的對象；
4. JVM內部需要使用的常駐對象，例如基本數(shù)據(jù)類型對應的Class對象、系統(tǒng)類加載器、異常對象、JMXBean等等；
5. synchronized持有的對象；

引用類型：
1. 強引用程序代碼中普遍存在的引用賦值；
2. 軟引用正常情況下不到回收，內存溢出前回收；
3. 弱引用垃圾收集時發(fā)現(xiàn)它就會回收；
4. 虛引用弱引用的一種特殊情況，只是為了被回收時進行通知回調設計的，例如堆外內存的回收

方法區(qū)回收：
1. 常量沒有任何對象引用常量池中該常量時可能會被回收；
2. Class回收需要同時滿足三個條件：堆中不存在該Class的實例 && 該類加載器已經(jīng)被回收 && Class沒有被任何地方引用(排除正在反射的情況)；可以看到Class被回收的條件是很苛刻的，現(xiàn)在第三方框架大量使用反射、動態(tài)代理、CGLIB的生成Class，給Metaspace帶來壓力；

二、垃圾收集算法

1. 標記清除

1960年提出，標記出所有需要回收的對象，然后統(tǒng)一回收掉；
優(yōu)點：簡單；不需要移動存活對象；
缺點：執(zhí)行效率跟堆中對象數(shù)量成反比，對象非常多時效率低；清除后產(chǎn)生大量內存碎片；

2. 標記復制

1969年提出，為了解決標記清除算法大量對象效率低的問題；新生代98%熬不過第一輪，不需要按照1：1劃分新生代內存空間，1989年提出新生代分為一塊較大的Eden區(qū)和兩塊較小的Survivor區(qū)，每次把Eden和Survivor中仍存活的對象一次性復制到另外一塊Survivor上；
優(yōu)點：沒有碎片；分配內存時只需要移動堆頂指針按順序分配，簡單高效；
缺點：空間浪費；需要移動存活的對象；

3. 標記整理

1974年提出，為了解決標記復制浪費空間的問題；先標記存活對象然后讓所有存活的對象移動到一端，然后直接清理掉另一端內存；
標記清除和標記整理區(qū)別是前者不需要移動存活對象屬于停頓時間優(yōu)先，分配時需要找到可分配區(qū)域，相對麻煩；回收時直接清理，相對簡單；后者正好相反屬于吞吐量優(yōu)先；
優(yōu)點：沒有空間浪費；沒有內存碎片；
缺點：需要移動存活對象；

三、垃圾收集器

1. Serial / Serial Old收集器

單線程收集器，新生代Serial采用復制算法，老年代Serial Old采用整理算法；
優(yōu)點：簡單，額外內存消耗最??；
缺點：STW；

2. Parallel Scavenge / Parallel Old收集器

吞吐量優(yōu)先的多線程收集器，新生代Parallel Scavenge采用復制算法，老年代Parallel Old采用整理算法；新增兩個參數(shù)用于精確控制吞吐量，最大垃圾收集停頓時間：-XX:MaxGCPauseMillis，吞吐量大?。?XXGCTimeRatio；

3. ParNew收集器

新生代收集器采用復制算法，Serial的多線程版本，可以與CMS配合；

4. CMS收集器（重點）

老年代收集器采用清除算法，過程分為四個步驟：
初始標記：單線程標記GC Roots能直接關聯(lián)到的對象，需要STW但是速度很快；
并發(fā)標記：多線程從初始標記的對象開始遍歷整個對象圖，過程較長，但是可以跟用戶線程并行執(zhí)行；
重新標記：多線程對并發(fā)標記期間產(chǎn)生變動的對象進行重新標記，過程比初始標記長，但是遠比并發(fā)標記短；
并發(fā)清除：清理被標記為死亡的對象，不需要移動存活對象，因此可以跟用戶現(xiàn)場并行執(zhí)行；

4.1 如何進行標記？
三色標記法把遍歷對象圖過程中遇到的對象，按照“是否被垃圾收集訪問過”這個條件標記成以下三種顏色：
白色：尚未被垃圾收集訪問過，開始時都是白色，最后剩下的白色就是不可達的可回收對象；
黑色：已經(jīng)被垃圾收集訪問過，并且這個對象所有的引用都已經(jīng)掃描過，表示可達的存活對象；
灰色：對象本身已經(jīng)被垃圾收集訪問過，但是對象上還有未被訪問過的引用；

4.2 三色標記產(chǎn)生的問題
1.浮動垃圾

浮動垃圾.png

2.對象消失

對象消失.png

4.3 對象消失解決方案
1.增量更新
當黑色對象插入新的指向白色對象的引用關系時，就將這個引用記錄下來，等并發(fā)掃描之后再對記錄的這些引用重新掃描。(相當于黑色引用白色時就變?yōu)榛疑?CMS采用這種方案。

2.原始快照
當灰色對象要刪除指向白色對象的引用關系時，就將這個要刪除的引用記錄下來，在并發(fā)標記結束后再將這些記錄過的引用關系中的灰色對象為根，重新掃描。(相當于無論引用關系刪除與否，都會按照最初開始掃描那一刻的對象圖快照來進行掃描)G1、Shenandoah采用這種方案。

解決方案有了，那如何實現(xiàn)呢，即引用記錄在哪兒？又如何記錄引用？
3.記錄在哪兒？-記憶集與卡表
記憶集是用來記錄從非收集區(qū)指向收集區(qū)的指針集合的抽象數(shù)據(jù)結構，這種記錄無論空間占用還是維護成本都相當高昂，為了降低成本通常有三種記錄粒度：字節(jié)精度(32/64位)、對象精度(精確到每一個對象)、卡精度(精確到一塊內存區(qū)域)；
卡表就是用來實現(xiàn)卡精度記憶集的數(shù)據(jù)結構，卡表含有多個卡頁，一個卡頁又包含多個對象，只要卡頁中有一個跨代應用就重新掃描整個卡頁，這樣在跨代引用概率很低時可以節(jié)約維護成本。

卡表的思想可以類比現(xiàn)在新冠檢測采取的策略：在已知感染者概率很低的前提下，讓一批人公用一份檢測試劑，如果該試劑結果呈陰性說明這一批人都沒有被感染；如果呈陽性，那需要讓這一批人全部重新單獨進行檢測；

4.如何記錄？-寫屏障
HotSpot虛擬機采用寫屏障技術維護卡表狀態(tài)，寫屏障可以看作在JVM層面對引用類型字段賦值這個操走的AOP切面，在賦值前的操作叫寫前屏障，之后的叫寫后屏障。在寫前屏障中來對卡表進行維護。

4.4 CMS優(yōu)缺點
優(yōu)點劃分步驟的思想具有劃時代的意義；高并發(fā)低停頓；
缺點
1.跟用戶線程并行的階段占用處理器資源導致應用程序變慢；
2.浮動垃圾的問題并未解決，不能等到老年代快滿了再收集，需要預留組構內存空間給用戶線程使用（預留空間不足時會STW，臨時啟用Serial Old收集器）；
3.由于采用清除算法，那么就會產(chǎn)生內存碎片，在fullgc時會對碎片進行整理，整理時會移動存活對象需要STW，這樣碎片問題解決了但停頓時間又會變長；

5. G1收集器（重點）

G1采用基于Region的堆內存布局，堆內存不再是固定大小的新生代/老年代，而是由若干個Region組成，每個Regin都可以扮演新生代、老年代、大對象區(qū)(存放超過一定大小的大對象)的角色。G1收集器會評估每個Region的回收價值維護一個優(yōu)先級列表中，每次收集時以Region為單位回收多個Region。

5.1 G1優(yōu)缺點
優(yōu)點：
1.可以通過指定期望停頓時間，在不同場景下在吞吐量和延遲時間之間做平衡，因為G1追求內存分配速率，因此不同的停頓時間只要分配速度大于回收速度就可以；
2.分Region回收，可以按照收益動態(tài)確定回收哪個；
3.沒有內存碎片；
缺點：
1.需要通過卡表存儲各個Region之間的引用，額外內存占用10%-20%；
2.需要記錄Region之間的雙向應用，處理Region之間的引用更加復雜；
3.除了需要通過寫后屏障更新卡表外，還要使用寫前屏障跟蹤并發(fā)時的指針變化情況；相比增量更新算法，原始快照能減少并發(fā)標記和重新標記階段的消耗，避免CMS那樣在最終標記階段停頓時間過長的缺點，但是在用戶程序運行過程中確實會產(chǎn)生由跟蹤引用變化帶來的額外負擔。
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