JVM 垃圾回收算法

JVM的4种垃圾回收算法、垃圾回收机制与总结

1.标记清除

标记-清除算法将垃圾回收分为两个阶段：标记阶段和清除阶段。

在标记阶段首先通过根节点(GC Roots)，标记所有从根节点开始的对象，未被标记的对象就是未被引用的垃圾对象。然后，在清除阶段，清除所有未被标记的对象。

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适用场合：

• 存活对象较多的情况下比较高效
• 适用于年老代（即旧生代）

缺点：

• 容易产生内存碎片，再来一个比较大的对象时（典型情况：该对象的大小大于空闲表中的每一块儿大小但是小于其中两块儿的和），会提前触发垃圾回收
• 扫描了整个空间两次（第一次：标记存活对象；第二次：清除没有标记的对象）

复制算法

从根集合节点进行扫描，标记出所有的存活对象，并将这些存活的对象复制到一块儿新的内存（图中下边的那一块儿内存）上去，之后将原来的那一块儿内存（图中上边的那一块儿内存）全部回收掉。

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现在的商业虚拟机都采用这种收集算法来回收新生代。

适用场合：

• 存活对象较少的情况下比较高效
• 扫描了整个空间一次（标记存活对象并复制移动）
• 适用于年轻代（即新生代）：基本上98%的对象是"朝生夕死"的，存活下来的会很少

缺点：

• 需要一块儿空的内存空间
• 需要复制移动对象

3.标记整理

复制算法的高效性是建立在存活对象少、垃圾对象多的前提下的。这种情况在新生代经常发生，但是在老年代更常见的情况是大部分对象都是存活对象。如果依然使用复制算法，由于存活的对象较多，复制的成本也将很高。

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标记-压缩算法是一种老年代的回收算法，它在标记-清除算法的基础上做了一些优化。

首先也需要从根节点开始对所有可达对象做一次标记，但之后，它并不简单地清理未标记的对象，而是将所有的存活对象压缩到内存的一端。之后，清理边界外所有的空间。这种方法既避免了碎片的产生，又不需要两块相同的内存空间，因此，其性价比比较高。

分代收集算法

分代收集算法就是目前虚拟机使用的回收算法，它解决了标记整理不适用于老年代的问题，将内存分为各个年代。一般情况下将堆区划分为老年代（Tenured Generation）和新生代（Young Generation），在堆区之外还有一个代就是永久代（Permanet Generation）。

在不同年代使用不同的算法，从而使用最合适的算法，新生代存活率低，可以使用复制算法。而老年代对象存活率搞，没有额外空间对它进行分配担保，所以只能使用标记清除或者标记整理算法。

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垃圾回收机制

根据直通BAT必考题系列：深入详解JVM内存模型与JVM参数详细配置所说，年轻代分为Eden区和survivor区（两块儿：from和to），且Eden:from:to==8:1:1。

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jvm内存结构

1）新产生的对象优先分配在Eden区（除非配置了-XX:PretenureSizeThreshold，大于该值的对象会直接进入年老代）；

2）当Eden区满了或放不下了，这时候其中存活的对象会复制到from区。

这里，需要注意的是，如果存活下来的对象from区都放不下，则这些存活下来的对象全部进入年老代。之后Eden区的内存全部回收掉。

3）之后产生的对象继续分配在Eden区，当Eden区又满了或放不下了，这时候将会把Eden区和from区存活下来的对象复制到to区（同理，如果存活下来的对象to区都放不下，则这些存活下来的对象全部进入年老代），之后回收掉Eden区和from区的所有内存。

4）如上这样，会有很多对象会被复制很多次（每复制一次，对象的年龄就+1），默认情况下，当对象被复制了15次（这个次数可以通过：-XX:MaxTenuringThreshold来配置），就会进入年老代了。

5）当年老代满了或者存放不下将要进入年老代的存活对象的时候，就会发生一次Full GC（这个是我们最需要减少的，因为耗时很严重）。

垃圾回收有两种类型：Minor GC 和 Full GC。

1.Minor GC

对新生代进行回收，不会影响到年老代。因为新生代的 Java 对象大多死亡频繁，所以 Minor GC 非常频繁，一般在这里使用速度快、效率高的算法，使垃圾回收能尽快完成。

2.Full GC

也叫 Major GC，对整个堆进行回收，包括新生代和老年代。由于Full GC需要对整个堆进行回收，所以比Minor GC要慢，因此应该尽可能减少Full GC的次数，导致Full GC的原因包括：老年代被写满、永久代（Perm）被写满和System.gc()被显式调用等。

垃圾回收算法总结

1.年轻代：复制算法

1. 所有新生成的对象首先都是放在年轻代的。年轻代的目标就是尽可能快速的收集掉那些生命周期短的对象。
2. 新生代内存按照8:1:1的比例分为一个eden区和两个survivor(survivor0,survivor1)区。一个Eden区，两个 Survivor区(一般而言)。大部分对象在Eden区中生成。回收时先将eden区存活对象复制到一个survivor0区，然后清空eden区，当这个survivor0区也存放满了时，则将eden区和survivor0区存活对象复制到另一个survivor1区，然后清空eden和这个survivor0区，此时survivor0区是空的，然后将survivor0区和survivor1区交换，即保持survivor1区为空， 如此往复。
3. 当survivor1区不足以存放 eden和survivor0的存活对象时，就将存活对象直接存放到老年代。若是老年代也满了就会触发一次Full GC(Major GC)，也就是新生代、老年代都进行回收。
4. 新生代发生的GC也叫做Minor GC，MinorGC发生频率比较高(不一定等Eden区满了才触发)。

2.年老代：标记-清除或标记-整理

1. 在年轻代中经历了N次垃圾回收后仍然存活的对象，就会被放到年老代中。因此，可以认为年老代中存放的都是一些生命周期较长的对象。
2. 内存比新生代也大很多(大概比例是1:2)，当老年代内存满时触发Major GC即Full GC，Full GC发生频率比较低，老年代对象存活时间比较长，存活率标记高。

以上这种年轻代与年老代分别采用不同回收算法的方式称为"分代收集算法"，这也是当下企业使用的一种方式

3. 每一种算法都会有很多不同的垃圾回收器去实现，在实际使用中，根据自己的业务特点做出选择就好。

JVM 垃圾回收算法

stop the world

在介绍垃圾回收算法之前，我们需要先了解一个词“stop the world”，stop the world会在执行某一个垃圾回收算法的时候产生，JVM为了执行垃圾回收，会暂时java应用程序的执行，等垃圾回收完成后，再继续运行。如果你使用JMeter测试过java程序，你可能会发现在测试过程中，java程序有不规则的停顿现象，其实这就是“stop the world”，停顿的时候JVM是在做垃圾回收。所以尽可能减少stop the world的时间，就是我们优化JVM的主要目标。接下来我们看一下目前有哪些常见垃圾回收的算法。

引用计数法

引用计数法顾名思义，就是对一个对象被引用的次数进行计数，当增加一个引用计数就加1，减少一个引用计数就减1。

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上图表示3个Teacher的引用指向堆中的Teacher对象，那么Teacher对象的引用计数就是3，以此类推Student对象的引用计数就是2。

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上图表示Teacher对象的引用减少为2，Student对象的引用减少为0（减少的原因是该引用指向了null，例如teacher3=null）,按照引用计数算法，Student对象的内存空间将被回收掉。

引用计数算法原理非常简单，是最原始的回收算法，但是java中没有使用这种算法，原因有2。1是频繁的计数影响性能，2是它无法处理循环引用的问题。

例如Teacher对象中引用了Student对象，Student对象中又引用了Teacher对象，这种情况下，对象将永远无法被回收。

标记清除

标记清除算法，它是很多垃圾回收算法的基础，简单来说有两个步骤：标记、清除。

标记：遍历所有的GC Roots，并将从GC Roots可达的对象设置为存活对象；

清除：遍历堆中的所有对象，将没有被标记可达的对象清除；

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注意上图灰色的对象，因为从GC Root遍历不到它们（尽管它们本身有引用关系，但从GC Root无法遍历到它们），因此它们没有被标记为存活对象，在清除过程中将会被回收。

这里需要注意的是标记清除算法执行过程中，会产生“stop the world”，让java程序暂停等待以保证在标记清除的过程中，不会有新的对象产生。为什么必须暂停java程序呢？举个例子，如果在标记过程完成后，又新产生了一个对象，而该对象已经错过了标记期，那么在接下来的清除流程中，这个新产生的对象因为未被标记，所以将被视为不可达对象而被清除，这样程序就会出错，因此标记清除算法在执行时，java程序将被暂停，产生“stop the world”。

接下来我们总结一下标记清除算法：

1、因为涉及大量的内存遍历工作，所以执行性能较低，这也会导致“stop the world”时间较长，java程序吞吐量降低；

2、我们注意到对象被清除之后，被清除的对象留下内存的空缺位置，造成内存不连续，空间浪费。

接下来我们看一下其他算法能不能改善这些问题？

标记压缩

标记压缩算法你可能已经想到了，它就是在标记清除算法的基础上，增加了压缩过程。

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在进行完标记清除之后，对内存空间进行压缩，节省内存空间，解决了标记清除算法内存不连续的问题。

注意标记压缩算法也会产生“stop the world”，不能和java程序并发执行。在压缩过程中一些对象内存地址会发生改变，java程序只能等待压缩完成后才能继续。

复制算法

复制算法简单来说就是把内存一分为二，但只使用其中一份，在垃圾回收时，将正在使用的那份内存中存活的对象复制到另一份空白的内存中，最后将正在使用的内存空间的对象清除，完成垃圾回收。

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复制算法相对标记压缩算法来说更简洁高效，但它的缺点也显而易见，它不适合用于存活对象多的情况，因为那样需要复制的对象很多，复制性能较差，所以复制算法往往用于内存空间中新生代的垃圾回收，因为新生代中存活对象较少，复制成本较低。它另外一个缺点是内存空间占用成本高，因为它基于两份内存空间做对象复制，在非垃圾回收的周期内只用到了一份内存空间，内存利用率较低。

小结

以上我们介绍了常见的垃圾回收算法，这些算法各有各的优缺点，但在JVM中并不是单纯的使用特定的算法，而是使用的一种叫垃圾回收器的东西，垃圾回收器可以看做一系列算法的不同组合，在不同的场景使用合适的垃圾回收器，才能起到事半功倍的效果。我们下一篇将介绍垃圾回收器。

不同的算法各有各的优缺点，在JVM中并不是单纯的使用某一种算法进行垃圾回收，而是将不同的垃圾回收算法包装在不同的垃圾回收器当中，用户可以根据自身的需求，使用不同的垃圾回收器，以便让自己的java程序性能到达最佳。

在介绍垃圾回收器之前，我们先回顾一下java堆的结构。

堆内存回顾

java堆内存结构包括：新生代和老年代，其中新生代由一个伊甸区和2个幸存区组成，2个幸存区是大小相同，完全对称的，没有任何差别。我们把它们称为S0区和S1区，也可以称为from区和to区。

JVM的垃圾回收主要是针对以上堆空间的垃圾回收，当然其实也会针对元数据区（永久区）进行垃圾回收，在此我们主要介绍对堆空间的垃圾回收。

下面我们介绍几种垃圾回收器：

串行收集器

顾名思义，串行收集器就是使用单线程进行垃圾回收。对新生代的回收使用复制算法，对老年代使用标记压缩算法，这也和我们上一篇介绍的算法优势是相吻合的。

串行收集器是最古老最稳定的收集器，尽管它是串行回收，回收时间较长，但其稳定性是优于其他回收器的，综合来说是一个不错的选择。要使用串行收集器，可以在启动配置时加上以下参数：

-XX:+UseSerialGC

串行回收器的执行流程如下所示：

执行垃圾回收时，应用程序线程暂停，GC线程开始（开始垃圾回收），垃圾回收完成后，应用程序线程继续执行。注意：在GC线程运行过程中使用单线程进行串行回收。

并行回收器

并行回收器你可能已经猜到就是使用多线程并行回收，不过这里需要注意的是，针对新生代和老年代，是否都使用并行，有不同的回收器选择：

1、 ParNew回收器

这个回收器只针对新生代进行并发回收，老年代依然使用串行回收。回收算法依然和串行回收一样，新生代使用复制算法，老年代使用标记压缩算法。在多核条件下，它的性能显然优于串行回收器，如果要使用这种回收器，可以在启动参数中配置：

-XX:+UseParNewGC

如果要进一步指定并发的线程数，可以配置一下参数：

-XX:ParallelGCThreads

ParNew回收器的流程如下图所示：

在进行垃圾回收时应用程序线程依然被暂停，GC线程并行开始执行垃圾回收，垃圾回收完成后，应用程序线程继续执行。

2、 Parallel回收器

依然是并行回收器，但这种回收器有两种配置，一种类似于ParNEW：新生代使用并行回收、老年代使用串行回收。它与ParNew的不同在于它在设计目标上更重视吞吐量，可以认为在相同的条件下它比ParNew更优。要使用这种回收器可以在启动程序中配置：

-XX:+UseParallelGC

Parallel回收器另外一种配置则不同于ParNew，对于新生代和老年代均适应并行回收，要使用这种回收器可以在启动程序中配置：

XX:+UseParallelOldGC

Parallel回收器的流程和ParNew的流程是一致的：

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在进行回收时，应用程序暂停，GC使用多线程并发回收，回收完成后应用程序线程继续运行。

CMS回收器

CMS回收器: Concurrent Mark Sweep，并发标记清除。注意这里注意两个词：并发、标记清除。

并发表示它可以与应用程序并发执行、交替执行；标记清除表示这种回收器不是使用的是标记压缩算法，这和前面介绍的串行回收器和并发回收器有所不同。需要注意的是CMS回收器是一种针对老年代的回收器，不对新生代产生作用。这种回收器优点在于减少了应用程序停顿的时间，因为它不需要应用程序完成暂定等待垃圾回收，而是与垃圾回收并发执行。要执行这种垃圾回收器可以在启动参数中配置：

-XX:+UseConcMarkSweepGC

CMS回收机运行机制非常复杂，我们简单的将他的运行流程分为以下几步：

初始标记

标记从GC Root可以直接可达的对象；

并发标记（和应用程序线程一起）

主要标记过程，标记全部对象；

重新标记

由于并发标记时，用户线程依然运行，因此在正式清理前，再做依次重新标记，进行修正。

并发清除（和用户线程一起）

基于标记结果，直接清理对象。

流程如下图所示：

从上图可以看到标记过程分三步：初始标记、并发标记、重新标记，并发标记是最主要的标记过程，而这个过程是并发执行的，可以与应用程序线程同时进行，初始标记和重新标记虽然不能和应用程序并发执行，但这两个过程标记速度快，时间短，所以对应用程序不会产生太大的影响。最后并发清除的过程，也是和应用程序同时进行的，避免了应用程序的停顿。

CMS的优点显而易见，就是减少了应用程序的停顿时间，让回收线程和应用程序线程可以并发执行。但它也不是完美的，从他的运行机制可以看出，因为它不像其他回收器一样集中一段时间对垃圾进行回收，并且在回收时应用程序还是运行，因此它的回收并不彻底。这也导致了CMS回收的频率相较其他回收器要高，频繁的回收将影响应用程序的吞吐量。

G1回收器

G1回收器是jdk1.7以后推出的回收器，试图取代CMS回收器。

不同于其他的回收器、G1将堆空间划分成了互相独立的区块。每块区域既有可能属于老年代、也有可能是新生代，并且每类区域空间可以是不连续的（对比CMS的老年代和新生代都必须是连续的）。这种将老年代区划分成多块的理念源于：当并发后台线程寻找可回收的对象时、有些区块包含可回收的对象要比其他区块多很多。虽然在清理这些区块时G1仍然需要暂停应用线程、但可以用相对较少的时间优先回收包含垃圾最多区块。这也是为什么G1命名为Garbage First的原因：第一时间处理垃圾最多的区块。要使用G1回收器需要在启动是配置以下参数：

-XX:+UseG1GC

G1相对CMS回收器来说优点在于：

1、因为划分了很多区块，回收时减小了内存碎片的产生；

2、G1适用于新生代和老年代，而CMS只适用于老年代。

小结

本文简要介绍了JVM中的垃圾回收器，主要包括串行回收器、并行回收器以及CMS回收器、G1回收器。他们各自都有优缺点，通常来说你需要根据你的业务，进行基于垃圾回收器的性能测试，然后再做选择。下面给出配置回收器时，经常使用的参数：

-XX:+UseSerialGC：在新生代和老年代使用串行收集器

-XX:+UseParNewGC：在新生代使用并行收集器

-XX:+UseParallelGC ：新生代使用并行回收收集器，更加关注吞吐量

-XX:+UseParallelOldGC：老年代使用并行回收收集器

-XX:ParallelGCThreads：设置用于垃圾回收的线程数

-XX:+UseConcMarkSweepGC：新生代使用并行收集器，老年代使用CMS+串行收集器

-XX:ParallelCMSThreads：设定CMS的线程数量

-XX:+UseG1GC：启用G1垃圾回收器

参考资料

https://www.cnblogs.com/leefreeman/p/7389919.html https://www.cnblogs.com/leefreeman/p/7402695.html https://www.sohu.com/a/289162559_99994950