八股文之【JVM垃圾回收】

如果识别垃圾

• 引用计数法（Reference Counting）： 对每个对象的引用进行计数，每当有一个地方引用它时计数器 +1、引用失效则 -1，引用的计数放到对象头中，大于 0 的对象被认为是存活对象。虽然循环引用的问题可通过 Recycler 算法解决，但是在多线程环境下，引用计数变更也要进行昂贵的同步操作，性能较低，早期的编程语言会采用此算法。
• 可达性分析，又称引用链法（Tracing GC）： 从 GC Root 开始进行对象搜索，可以被搜索到的对象即为可达对象，此时还不足以判断对象是否存活/死亡，需要经过多次标记才能更加准确地确定，整个连通图之外的对象便可以作为垃圾被回收掉。目前 Java 中主流的虚拟机均采用此算法。

循环引用：当对象A和对象B，相互引用了对方作为自己的成员变量，只有自己销毁的时，才能将成员变量的引用计数减1，因为对象A的销毁依赖于对象B的销毁, 对象B的销毁依赖于对象A的销毁，这样子就造成了循环引用，即使外部没有指针能够访问他们，但是他们依然不能被释放。

垃圾回收算法

• Mark-Sweep（标记-清除）： 统一标记出需要回收的对象，标记完成之后统一回收所有被标记的对象，而由于标记的过程需要遍历所有的GC ROOT，清除的过程也要遍历堆中所有的对象，所以标记-清除算法的效率低下，同时也带来了内存碎片的问题。
• Copying（复制）： 为了解决性能的问题，复制算法应运而生，它将内存分为大小相等的两块区域，每次使用其中的一块，当一块内存使用完之后，将还存活的对象拷贝到另外一块内存区域中，然后把当前内存清空，这样性能和内存碎片的问题得以解决。但是同时带来了另外一个问题，可使用的内存空间缩小了一半！ 因此，诞生了我们现在的常见的年轻代+老年代的内存结构：年轻代占1/3，老年代占2/3。年轻代的Eden+S0+S1组成，因为根据IBM的研究显示，98%的对象都是朝生夕死，所以实际上存活的对象并不是很多，完全不需要用到一半内存浪费，所以默认的比例是8:1:1。 这样，在使用的时候只使用Eden区和S0S1中的一个，每次都把存活的对象拷贝另外一个未使用的Survivor区，同时清空Eden和使用的Survivor，这样下来内存的浪费就只有10%了。 如果最后未使用的Survivor放不下存活的对象，这些对象就进入Old老年代了。 PS：所以有一些初级点的问题会问你为什么要分为Eden区和2个Survior区？有什么作用？就是为了节省内存和解决内存碎片的问题，这些算法都是为了解决问题而产生的，如果理解原因你就不需要死记硬背了
• Mark-Compact （标记-整理）： 针对老年代再用复制算法显然不合适，因为进入老年代的对象都存活率比较高了，这时候再频繁的复制对性能影响就比较大，而且也不会再有另外的空间进行兜底。所以针对老年代的特点，通过标记-整理算法，标记出所有的存活对象，让所有存活的对象都向一端移动，然后清理掉边界以外的内存空间。

什么是GCRoot

上面提到的标记的算法，怎么标记一个对象是否存活？简单的通过引用计数法，给对象设置一个引用计数器，每当有一个地方引用他，就给计数器+1，反之则计数器-1，但是这个简单的算法无法解决循环引用的问题。

Java通过可达性分析算法来达到标记存活对象的目的，定义一系列的GC ROOT为起点，从起点开始向下开始搜索，搜索走过的路径称为引用链，当一个对象到GC ROOT没有任何引用链相连的话，则对象可以判定是可以被回收的。

可以作为GC ROOT的包括：

1. 方法区中的静态属性（静态属性指向一个对象）
2. 方法区的中的常量（常量指向一个对象）
3. 虚拟机中的局部变量（变量指向一个对象）
4. 本地方法栈中JNI（native修饰的方法指向的对象）
5. JavaStack中的引用的对象。
6. 方法区中静态引用指向的对象。
7. 方法区中常量引用指向的对象。
8. Native方法中JNI引用的对象。

垃圾回收器

垃圾回收器其实有很多，

垃圾回收器关系图

图中展示了7种作用于不同分代的收集器，如果两个收集器之间存在连线，则说明它们可以搭配使用。虚拟机所处的区域则表示它是属于新生代还是老年代收集器。

• 新生代收集器：Serial、ParNew、Parallel Scavenge
• 老年代收集器：CMS、Serial Old、Parallel Old
• 整堆收集器：G1

垃圾收集器分为分代和分区，趋势是向着分区发展。

分代：

• ParNew：一款多线程的收集器，采用复制算法，主要工作在 Young 区，可以通过 -XX:ParallelGCThreads 参数来控制收集的线程数，整个过程都是 STW 的，常与 CMS 组合使用。
• CMS：以获取最短回收停顿时间为目标，采用“标记-清除”算法，分 4 大步进行垃圾收集，其中初始标记和重新标记会 STW ，多数应用于互联网站或者 B/S 系统的服务器端上，JDK9 被标记弃用，JDK14 被删除。

分区：

• G1： 一种服务器端的垃圾收集器，应用在多处理器和大容量内存环境中，在实现高吞吐量的同时，尽可能地满足垃圾收集暂停时间的要求。
• ZGC： JDK11 中推出的一款低延迟垃圾回收器，适用于大内存低延迟服务的内存管理和回收，SPECjbb 2015 基准测试，在 128G 的大堆下，最大停顿时间才 1.68 ms，停顿时间远胜于 G1 和 CMS。
• Shenandoah： 由 Red Hat 的一个团队负责开发，与 G1 类似，基于 Region 设计的垃圾收集器，但不需要 Remember Set 或者 Card Table 来记录跨 Region 引用，停顿时间和堆的大小没有任何关系。停顿时间与 ZGC 接近，下图为与 CMS 和 G1 等收集器的 benchmark。

一些概念：

• 并行收集：指多条垃圾收集线程并行工作，但此时用户线程仍处于等待状态。
• 并发收集：指用户线程与垃圾收集线程同时工作（不一定是并行的可能会交替执行）。用户程序在继续运行，而垃圾收集程序运行在另一个CPU上。
• 吞吐量：即CPU用于运行用户代码的时间与CPU总消耗时间的比值（吞吐量 = 运行用户代码时间 / ( 运行用户代码时间 + 垃圾收集时间 )）。例如：虚拟机共运行100分钟，垃圾收集器花掉1分钟，那么吞吐量就是99%

这篇文章我们主要讲CMS和G1，想了解其他收集器可以参考：https://www.cnblogs.com/chenpt/p/9803298.html。

目前使用最多的是 CMS 和 G1 收集器，二者都有分代的概念。

CMS：

CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器，基于并发“标记清除”实现,在 标记清理过程中不会导致用户线程无法定位引用对象。仅作用于老年代收集。它的步骤如下：

1. 初始标记（CMS initial mark）：独占CPU，stop-the-world, 仅标记GCroots能直接关联的对象,速度比较快；
2. 并发标记（CMS concurrent mark）:可以和用户线程并发执行，通过GCRoots Tracing 标记所有可达对象；
3. 重新标记（CMS remark）：独占CPU，stop-the-world, 对并发标记阶段用户线程运行产生的垃圾对象进行标记修正,以及更新逃逸对象；
4. 并发清理（CMS concurrent sweep）：可以和用户线程并发执行，清理在重复标记中被标记为可回收的对象。

CMS的优点：

• 支持并发收集.
• 低停顿,因为CMS可以控制将耗时的两个stop-the-world操作保持与用户线程恰当的时机并发执行，并且能保证在短时间执行完成，这样就达到了近似并发的目的.

CMS的缺点：

• CMS收集器对CPU资源非常敏感,在并发阶段虽然不会导致用户线程停顿，但是会因为占用了一部分CPU资源，如果在CPU资源不足的情况下应用会有明显的卡顿。
• 无法处理浮动垃圾：在执行‘并发清理’步骤时，用户线程也会同时产生一部分可回收对象，但是这部分可回收对象只能在下次执行清理是才会被回收。如果在清理过程中预留给用户线程的内存不足就会出现‘Concurrent Mode Failure’,一旦出现此错误时便会切换到SerialOld收集方式。
• CMS清理后会产生大量的内存碎片，当有不足以提供整块连续的空间给新对象/晋升为老年代对象时又会触发FullGC。且在1.9后将其废除。

使用场景：

它关注的是垃圾回收最短的停顿时间（低停顿），在老年代并不频繁GC的场景下，是比较适用的。

G1：

G1作为JDK9之后的服务端默认收集器，且不再区分年轻代和老年代进行垃圾回收，他把内存划分为多个Region，每个Region的大小可以通过-XX：G1HeapRegionSize设置，大小为1~32M，对于大对象的存储则衍生出Humongous的概念，超过Region大小一半的对象会被认为是大对象，而超过整个Region大小的对象被认为是超级大对象，将会被存储在连续的N个Humongous Region中，G1在进行回收的时候会在后台维护一个优先级列表，每次根据用户设定允许的收集停顿时间优先回收收益最大的Region。

G1的回收过程分为以下四个步骤：

1. 初始标记：标记GC ROOT能关联到的对象，需要STW
2. 并发标记：从GCRoots的直接关联对象开始遍历整个对象图的过程，扫描完成后还会重新处理并发标记过程中产生变动的对象
3. 最终标记：短暂暂停用户线程，再处理一次，需要STW
4. 筛选回收：更新Region的统计数据，对每个Region的回收价值和成本排序，根据用户设置的停顿时间制定回收计划。再把需要回收的Region中存活对象复制到空的Region，同时清理旧的Region。需要STW

总的来说除了并发标记之外，其他几个过程也还是需要短暂的STW，G1的目标是在停顿和延迟可控的情况下尽可能提高吞吐量。

特点：

• 并行与并发：G1充分发挥多核性能，使用多CPU来缩短Stop-The-world的时间，
• 分代收集：G1能够自己管理不同分代内已创建对象和新对象的收集。
• 空间整合：G1从整体上来看是基于‘标记-整理’算法实现，从局部（相关的两块Region）上来看是基于‘复制’算法实现，这两种算法都不会产生内存空间碎片。
• 可预测的停顿：它可以自定义停顿时间模型，可以指定一段时间内消耗在垃圾回收商的时间不大于预期设定值。

G1 GC切分堆内存为多个区间（Region），从而避免很多GC操作在整个Java堆或者整个年轻代进行。G1 GC只关注你有没有存货对象，都会被回收并放入可用的Region队列。G1 GC是基于Region的GC，适用于大内存机器。即使内存很大，Region扫描，性能还是很高的。

https://zhuanlan.zhihu.com/p/161204689

ZGC

ZGC收集器是一款基于Region内存布局的，（暂时）不设分代的，使用了读屏障、染色指针和内存多重映射等技术来实现可并发的标记-整理算法的，以低延迟为首要目标的一款垃圾收集器。希望能在尽可能对吞吐量影响不太大的前提下，实现在任意堆内存大小下都可以把垃圾收集的停顿时间限制在10ms以内的低延迟。

JDK11 中推出的一款低延迟垃圾回收器，适用于大内存低延迟服务的内存管理和回收，SPECjbb 2015 基准测试，在 128G 的大堆下，最大停顿时间才 1.68 ms，停顿时间远胜于 G1 和 CMS。