GC需要完成的三件事情

• 哪些對象需要回收？
• 什么時候回收？
• 如何回收？

一、那些對象需要回收？（如何確定對象已死）

對象已死：不可能再被任何途徑使用的對象

1.引用計數(shù)法

引用計數(shù)法：給對象添加一個引用計數(shù)器，每當一個地方引用它，計數(shù)器就加一；當引用失效時，計數(shù)器就減一；任何時刻計數(shù)器為0的對象就是不可能再被使用的。
問題：難以解決對象間相互引用的問題，所以主流JVM里面都沒有選擇該方法；

2. 可達性分析

可達性分析：通過一系列的稱為“GC Roots”的對象作為起始點，從這些節(jié)點開始向下搜索，搜索所走過的引用鏈，當一個對象到GC Roots沒有任何引用鏈相連時，則證明此對象是不可用的。

可達性分析算法判斷對象是否可回收.png

GC Roots包括

• 虛擬機棧（棧中本地變量表）中引用的對象，即當前執(zhí)行方法中的對象
• 方法區(qū)中靜態(tài)屬性引用的對象，即 使用static修飾的類屬性，所以可使用static修飾的容器放置程序執(zhí)行上下文一類的屬性
• 方法區(qū)中常量引用的對象，即 使用final修飾的對象
• 本地方法棧中JNI/Native方法引用的對象

二、如何回收？（垃圾收集算法）

1. 標記-清除算法

首先標記出所有需要被回收的對象，在標記完成后統(tǒng)一回收所有被標記的對象

• 問題：
  • 效率問題：標記和清除兩個過程的效率都不高；

  • 空間問題：標記清除后會產(chǎn)生大量的內(nèi)存碎片

    
    
    標記-清除算法.png

2. 復制算法

復制算法將可用內(nèi)存按容量劃分為大小相等的兩塊，每次只使用其中的一塊。當這一塊內(nèi)存用完了，就將還存活著的對象復制到另一邊，然后再把已使用過的內(nèi)存空間一次清理掉

復制算法.png

HotSpot虛擬機默認Eden和Survivor的大小比例為8:1

3. 標記-整理算法

首先標記出所有需要被回收的對象，標記完成后讓所有存活的對象都向一端移動，然后清理掉端邊界以外的內(nèi)存

標記-整理算法.png

4. 分代收集算法

一般把Java堆分為新生代和老年代，這樣就可以根據(jù)各個代的特點采用最適合的收集算法

• 新生代：使用復制算法收集，因為每次垃圾收集都會有大量的對象死去，只有少量存活，只需要付出少量存活對象的復制成本就可以完成收集；
• 老年代： 使用標記-整理算法或標記-清除算法，因為老年代中因為對象存活率高，、沒有額外空間對它進行分配擔保；

三、HotSpot的算法實現(xiàn)

已可達性分析算法為例，第一步首先找到所有的根節(jié)點——遍歷根節(jié)點

1. 枚舉根節(jié)點

• Stop the World：指在進行垃圾回收的時候，需要將所有正在執(zhí)行的Java線程全部停止，以保證分析的準確性；
• 目前的主流JVM使用的都是準確式GC（即JVM可以知道內(nèi)存中某個位置具體是什么類型），所以JVM不需要遍歷所有的執(zhí)行上下文和全局引用（因為GC Roots主要存在與這兩個地方）的位置。
• 在HotSpot實現(xiàn)中，是使用一組稱為OopMap的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)達到準確式GC的目的

2. 安全點(如何完美進入GC)

因為對象引用變化的情況有點多，對象引用的變化同樣引起OopMap內(nèi)容的變化，因為OopMap是在特定的位置存儲這些信息的，所以如果每次OopMap變化都存儲，那將會需要大量的額外空間，這樣GC的成本會變得很高。所以HotSpot只有在“特定的位置”記錄這些信息，這些位置稱為安全點；（即程序在執(zhí)行時并非在所有地方都能停頓下來開始GC，只有到達安全點才能暫停）

• 安全點選取標準：
  • 基本以程序“是否具有讓程序長時間執(zhí)行的特征”為標準進行選定
  • 因為每條指令執(zhí)行的時間都非常短暫，程序不太可能因為指令流長度太長這個原因過長時間運行，“長時間執(zhí)行”的最明顯特征就是指令序復用，如方法調(diào)用、循環(huán)跳轉(zhuǎn)、異常跳轉(zhuǎn)等
• 讓所有線程在安全點停頓
  • 搶占式中斷：首先把所有線程全部中斷，如果有發(fā)現(xiàn)線程中斷的地方不在安全點上，就恢復線程，讓其運行到安全點。（現(xiàn)在幾乎沒有JVM采用過這種方法）
  • 主動式中斷：當GC需要中斷時，不直接對線程操作，而是設(shè)置一個標志（告訴線程需要中斷的標志），各個線程在執(zhí)行時會主動輪詢這個標志，當為true時，自己就中斷掛起

3. 安全區(qū)域

當線程sleep或者阻塞狀態(tài)時，這時線程無法響應JVM的中斷響應，對于這種情況，就需要安全區(qū)域來解決

四、垃圾收集器

HotSpotJVM的垃圾收集器.png

雖然會對各個垃圾收集器比較，但是并不是要選出一個最好的收集器。因為到目前為止，還沒有
最好的垃圾收集器出現(xiàn)。

• Serial收集器
  

  Serial_Serial Old收集器運行示意圖.png
  • 新生代收集器
  • 使用復制算法
  • 單線程的收集器
  • 在進行垃圾收集時，必須暫停其他所有的工作線程，直到收集結(jié)束（stop the world）
  • 優(yōu)點：簡單高效（與其他收集器相比），對于單CPU環(huán)境能獲得更好的效率

• ParNew收集器
  

  ParNew_Serial Old收集器運行示意圖.png
  • 新生代收集器
  • 使用復制算法
  • Serial收集器的多線程版本，除使用多條線程進行垃圾收集之外其余都和Serial收集器一樣
  • 是許多運行在Server模式下的虛擬機首選新生代收集器，主要原因是除Serial外只有它可以和CMS搭配使用

• Parallel Scavenge收集器（示意圖如Paraller Old）

  • 新生代收集器
  • 使用復制算法
  • 關(guān)注點與其他收集器不同，目標為達到一個可控制的吞吐量（吞吐量 = 運行用戶代碼時間 / （運行用戶代碼時間 + 垃圾收集時間））
  • 提供-XX:MaxGCPauseMillis(控制最大垃圾收集停頓時間)和-XX:GCTimeRatio(直接設(shè)置吞吐量大小)
  • 提供-XX:+UseAdptiveSizePolicy動態(tài)根據(jù)JVM運行情況調(diào)節(jié)新生代及老年代的內(nèi)存分配

• Serial Old收集器（示意圖如Serial）

  • 老年代收集器
  • Serial收集器的老年代版本，同樣為單線程
  • 使用標記-整理算法

• Paraller Old收集器
  

  Paraller Scavenge_Paraller Old收集器運行示意圖.png
  • 老年代收集器
  • Paraller Scavenge收集器的老年代版本
  • 使用標記-整理算法

• CMS收集器（Concurrent Mark Sweep）
  

  CMS收集器運行示意圖.png
  • 老年代收集器
  • 使用標記-清除算法
  • 目標是獲取最短回收停頓時間，目前很大一部分集中運用在互聯(lián)網(wǎng)站或者B/S系統(tǒng)的服務端上
  • 整個過程分為四個步驟（前四個）：
    • 初始標記：僅僅標記一下GC Roots能直接關(guān)聯(lián)到的對象（即GC Roots的一級節(jié)點的對象）
    • 并發(fā)標記：GC Roots Tracing（根據(jù)初始標記的所有對象向下標記對象），與用戶程序并行
    • 重新標記：修正并發(fā)標記期間因為用戶程序繼續(xù)運作而導致變動的那一部分對象的標記記錄
    • 并發(fā)清除：并發(fā)清除無用對象，與用戶程序并行
    • 重置線程：重置CMS的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（相當于讓垃圾清理線程回到第一個步驟準備下一次清理）
  • 優(yōu)點：耗時比較長的并發(fā)標記和并發(fā)清除都與用戶線程并行，所以停頓時間會減少很多；
  • 缺點：
    • 對CPU資源非常敏感：雖然在并行清除、標記等過程中不會停止用戶進程，但是CMS同樣也占用了CPU資源，在CPU資源不是很充足的時候，會對用戶進程影響很大；
    • CMS無法處理浮動垃圾：由于并發(fā)清理時用戶進程也在運行，伴隨用戶進程運行還會產(chǎn)生新的垃圾（浮動垃圾），但是在當此的垃圾收集中無法進行收集，只能在下一次收集中進行收集。因為有浮動垃圾的產(chǎn)生，所以CMS在垃圾收集中需要預留一些空間為并發(fā)程序使用。
    • 使用標記-清除算法：產(chǎn)生內(nèi)存碎片

• G1收集器（Garbage First）
  

  G1收集器運行示意圖.png

1. 將整個堆分成多個大小相等的獨立區(qū)域（Region），雖然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了，他們都是一部分Region的集合。
2. G1跟蹤各個Region里面的垃圾堆積的價值大小，在后臺維護一個優(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。
3. Region之間的對象引用以及其他收集器中新生代與老生代之間對象引用，虛擬機是使用Remenbered Set來避免全堆掃描的。

• 收集區(qū)域為整個堆內(nèi)存,但是也保留新生代和老年代的特征
• 整體看為標記-整理算法、局部（兩個Region）上看是復制算法實現(xiàn)
• 優(yōu)點：
  • 并行和并發(fā)：可充分利用多CPU、多核環(huán)境下的硬件優(yōu)勢
  • 分代收集：不需要和其他收集器配合即可收集整個堆內(nèi)存
  • 空間整合：整體看為標記-整理算法、局部（兩個Region）上看是復制算法實現(xiàn)，不會產(chǎn)生內(nèi)存碎片
  • 可預測的停頓：可指定一個長度的M毫秒時間段內(nèi)，垃圾回收時間不得超過M毫秒
    *整個過程

五、內(nèi)存分配與回收策略

堆內(nèi)存分布圖.png

對象主要分配在新生代的Eden區(qū)上，如果啟動了本地線程分配緩存（TLAB），將優(yōu)先在TLAB上分配；
Minor GC：指發(fā)生在新生代的垃圾收集動作
Major GC/Full GC：指發(fā)生在老年代的垃圾收集動作

1.對象優(yōu)先在Eden分配

• 大多數(shù)情況下，對象在新生代Eden區(qū)中分配。當Eden沒有足夠的空間進行分配時，虛擬機將發(fā)出一次Minor GC
• JVM提供-XX:+PrintGCDetails參數(shù)打印GC日志

2. 大對象直接進入老年代

大對象：所謂大對象是指，需要大量連續(xù)內(nèi)存空間的Java對象，最典型的大對象就是那種很長的字符串及數(shù)組。在寫程序時應當避免創(chuàng)建出這種大對象，因為它可能會導致JVM提前進行GC

• JVM提供了-XX:PretenureSizeThreshold參數(shù)，使大于這個設(shè)置值的對象直接在老年代分配內(nèi)存。（只對Serial和ParNew兩個收集器有效）

3. 長期存活的對象將進入老年代

JVM給每個對象定義了一個對象年齡計數(shù)器。如果對象在Eden出生并經(jīng)過第一次Minor GC后仍然存活，并且能被Survivor容納的話，將被移動到Servivor中，并將對象年齡設(shè)置為1。對象在Survivor區(qū)中每熬過一次Minor GC，年齡就增加1歲，當它的年齡增加到一定程度（默認為15歲），將會被晉升到老年代中。

• 對象晉升老年代的年齡閾（yu【四聲】）值，可以通過參數(shù)-XX:MaxTenuringThreshold設(shè)置。

3. 動態(tài)對象年齡的判定

為了能更好的適應不同程度的內(nèi)存狀況，虛擬機并不是永遠地要求對象的年齡必須達到MaxTenuringThreshold才能晉升老年代，如果在Survivor空間中相同年齡所有對象大小的總和大于Survivor空間的一半，年齡大于或等于該年齡的對象就可以直接進入老年代，無需等到MaxTenuringThreshold中要求的年齡。

4.空間分配擔保

在發(fā)生Minor GC之前，JVM會先檢查老年代最大可用的連續(xù)空間是否大于新生代所有對象總空間，如果這個條件成立，那么Minor GC可以確認是安全的。
如果不成立，則看HandlerPromotionFailure設(shè)置值是否允許擔保失敗。如果允許，那么會檢查老年代最大可用的連續(xù)空間是否大于歷次晉升到老年代對象的平均大小，如果大于將嘗試進行一次Minor GC，如果小于，或者HandlerPromotionFailure設(shè)置為不允許冒險，那這時也要改進為一次Full GC。
不過在JDK1.6之后，HandlerPromotionFailure參數(shù)已經(jīng)不會影響到JVM的空間分配擔保策略。規(guī)則變?yōu)橹灰夏甏倪B續(xù)空間大于新生代對象總大小或者歷次晉升的平均大小就會進行Minor GC，否則進行Full GC。