畅玩JVM——关于GC垃圾回收必须要掌握的知识

如何判断一个对象是垃圾

引用计数法

原理：当一个对象被创建（一般在堆区）时，同时创建一个引用计数器，当这个对象被引用了，则计数器加1，当引用失效之后，则计数器减1。当计数器为0时，则表示此对象为垃圾

问题：存在循环引用问题。当A引用B，B引用C，C又引用A的话，那么此3个对象永远不会被判断为垃圾

可达性算法

确定某些对象为根对象（GC Roots），从这些根对象出发，遍历找到和这些根对象有引用关系的对象，形成引用链，而不在这些引用链上的对象就被判定为垃圾。

如下图所示，两个浅蓝色的对象即是垃圾。

问题来了，哪些对象可以作为GC Roots？

JVM stack：在虚拟机栈中的对象native method stack：本地方法栈中的对象runtime constant pool：运行时常量池中的对象static reference in method area：在方法区的静态变量

如何回收垃圾

标记清除算法

根据可达性算法，将不可达对象标记为垃圾统一清除所有垃圾

优点：当需要回收的对象较少时，效率较高

缺点：产生大量内存碎片

标记复制算法

将内存区域分为两部分，对象只分配在其中一半区域根据可达性算法，将不可达对象标记为垃圾将所有存活对象复制到按序复制到另一半区域，当前区域全部清除

优点：解决出现大量内存碎片问题

缺点：一半的内存区域不可用，浪费内存

标记整理算法

根据可达性算法，将不可达对象标记为垃圾将所有存活对象整理复制到内存的一端

优点：无内存碎片问题，不造成内存浪费

缺点：在复制过程中效率较低

JVM GC分代算法

众所周知，JVM堆内存是分代管理的，如下。GC在针对不同区域则会采用不同的GC算法

年轻代：存放大量朝生夕死的对象，采用标记复制算法，将eden区和survivor from区的垃圾进行标记，然后将存活对象全部复制到survivor to区。

老年代：存放生命周期长的对象，采用标记整理算法，每次GC将存活对象复制到内存的一端。

GC的时机

简而言之：就是当内存不够时，就会发生GC

Minor GC

时机：Eden无法存放对象时

算法：标记复制算法

Major GC（Full GC）

时机：old区无法存放对象时

算法：标记整理算法

垃圾收集器

垃圾收集器是区分年轻代和老年代的

Serial

采用复制算法的年轻代收集器，单线程进行垃圾回收，回收过程中需要STW（stop the world）

配合使用的老年代收集器：CMS，Serial Old

优点：简单，高效，适用于单核环境下使用

缺点：无法利用现在机器都是多核的优势

ParNew

Serial的多线程版本，除多线程进行垃圾回收以外，其余均和Serial一致

配合使用的老年代收集器：CMS，Serial Old

优点：利用了多核的功能（在单核环境下，Serial是比ParNew快的）

缺点：回收过程中需要STW，当需要回收的过多时，停顿时间会较长

Parallel Scavenge

采用复制算法的年轻代收集器，多线程进行垃圾回收，与ParNew的区别在于它关注了系统的吞吐量

吞吐量 = 运行用户代码的时间 / （运行用户代码的时间 + GC的时间） 高吞吐量的应用适合后台执行的任务

此收集器有两个参数：

-XX:MaxGCPauseMillis：设置垃圾回收的最大停顿时间

-XX:GCTimeRatio：设置垃圾回收时间的占总时间的比率

设置-XX:MaxGCPauseMillis可以提高响应速度，设置-XX:GCTimeRatio可以提高吞吐量，提高CPU的利用效率

另外此收集器还有另一个参数：-XX:UseAdaptiveSizePolicy，开启的话，JVM会根据应用的运行状态，动态设置eden区，survivor区，old区之间的比例，以提供最合适的停顿时间或最大的吞吐量。在此我向大家推荐一个架构学习交流圈。交流学习指导伪鑫：1253431195（里面有大量的面试题及答案）里面会分享一些资深架构师录制的视频录像：有Spring，MyBatis，Netty源码分析，高并发、高性能、分布式、微服务架构的原理，JVM性能优化、分布式架构等这些成为架构师必备的知识体系。还能领取免费的学习资源，目前受益良多

Serial Old

Serial收集器的老年代版本，单线程，采用标记整理算法

Parallel Old

Parallel Scavenge收集器的老年代版本，多线程，采用标记整理算法

CMS（concurrent mark sweep）

以最短停顿时间为目的的收集器

初始标记：需要STW，标记老年代所有根对象。GC roots直接引用的对象及年轻代中存活对象引用的对象并发标记：无需STW，标记所有存活对象。从上一阶段找到的根对象开始，进行可达性分析。（JVM会提前把老年代逻辑划分为大小相等的区域Card，因为应用程序并发执行，一些引用关系可能发生变化，，若引用关系发生改变，则将通过card marking将所在区域标记为脏区（dirty card））最终标记：STW，重新扫描对象，进行重新标记并发清除和重置：无需STW，清除所有垃圾，回收内存，重置CMS算法的内部数据，为下一次GC做准备

在java 9中开始被启用，在java 14中被删除

优点：

降低了STW的时间，提高更好的响应速度

缺点：

最大的问题是对老年代采用的是标记清除算法，会产生大量内存碎片对CPU资源敏感，因并发步骤较多，占用一部分线程，降低吞吐量无法处理浮动垃圾（并发清除时，可能会产生新的垃圾，而必须要等到下一次GC处理）

G1

G1逻辑上还保存着年轻代，老年代的概念。实现上，会把内存区域按照固定大小分成若干块，叫做region。每一个region可以属于eden区，也可以属于old区，可动态变化。每次GC都会以region为单位进行回收。通过**-XX:MaxGCPauseMills**此参数，可设置每次STW最大停顿时间。eg. 当发生young gc时，G1根据最大停顿时间，尽量计算出可清理region的数量，可以不清除所有young区的region，进行GC，做到有效控制GC的停顿时间。

gc算法从整体上来说是标记整理，从单个region上来说是标记复制，会将单个region的存活对象复制到一个空的region上去。

ZGC

停顿时间不会超过10ms支持超大内存，达到4TB

故ZGC适用于大内存低延迟的服务

Shennandoah

CMS有个很大的问题就是采用的是标记-清除算法，导致碎片化严重，思考一下为何CMS不采用标记整理算法呢？其原因是CMS希望降低STW的时间，那么如果用标记整理，那么在整理时，对象的引用地址会发生变化，此时用户线程是不能访问的，那么就得STW，把引用地址切换之后才能用。这样就会提高STW，所以采用的标记清除。

同理G1在标记复制的时候，也会有STW的过程。而Shennandoah在复制时，采用了读屏障和被称为“Brooks Pointers”的转发指针，避免掉STW过程。

垃圾收集器总结

关于垃圾收集器，我基本都是简述，如果对某个收集器感兴趣的话，可以做深入研究

常用组合：