【面試必問系列】JVM垃圾回收算法、收集器看這一篇就夠了

數(shù)碼筆記

一、如何確定是垃圾

1、引用計(jì)數(shù)法

對(duì)象如果沒有與之關(guān)聯(lián)的引用，計(jì)數(shù)器為0的對(duì)象，就是可回收的對(duì)象。（目前python就使用）
優(yōu)點(diǎn)：判定效率高，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。
缺點(diǎn)：不完全準(zhǔn)確，無(wú)法回收循環(huán)引用的對(duì)象，容易內(nèi)存泄漏。
2、可達(dá)性分析（根可達(dá)）

通過一系列GC Roots的對(duì)象作為起始點(diǎn)，從這些根節(jié)點(diǎn)開始向下搜，搜索所有走過的路叫做引用連，當(dāng)一個(gè)對(duì)象到GC Roots沒有任何的引用鏈相連時(shí)，則說(shuō)明此對(duì)象不可用。
優(yōu)點(diǎn)：解決相互循環(huán)引用問題。
注：不可達(dá)對(duì)象不等價(jià)于可回收對(duì)象，不可達(dá)對(duì)象變?yōu)榭苫厥諏?duì)象至少要經(jīng)過兩次標(biāo)記過程，可以通過finalize()自救。
3、GC Roots對(duì)象

GC Roots對(duì)象包括：
虛擬機(jī)棧棧幀中本地變量表引用的對(duì)象；
方法區(qū)中類靜態(tài)屬性引用；
方法區(qū)中常量引用的對(duì)象；
本地方法棧中JNI引用的對(duì)象；
所有被同步鎖持有的對(duì)象等；
jvm中跨代引用的對(duì)象等；
.......還有其他的幾種，常用的前四種。
二、垃圾回收算法

java是自動(dòng)回收內(nèi)存的，C、c++等都要手工命令回收。
1、復(fù)制算法

按內(nèi)存容量將內(nèi)存劃分為大小相等的兩塊，每次使用一塊，這一塊滿后，將尚存活的復(fù)制到另一塊上去，把它使用的內(nèi)存清空掉。
優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，不易產(chǎn)生碎片；
缺點(diǎn)：可用內(nèi)存被壓縮為原來(lái)的一半，且存活對(duì)象多的話，此算法效率大大降低。
2、標(biāo)記清除算法（Mark-Sweep）

標(biāo)記要回收的對(duì)象，回收被標(biāo)記的對(duì)象占用的空間。
缺點(diǎn)：內(nèi)存碎片化嚴(yán)重；
3、標(biāo)記整理算法（Mark-Compact）

標(biāo)記要回收的對(duì)象，標(biāo)記后不是清楚標(biāo)記對(duì)象，而是將存活的對(duì)象移向內(nèi)存的一端，然后清楚邊界外的對(duì)象。
優(yōu)點(diǎn)：沒有碎片化；
4、分代收集算法

目前大部分JVM采用的【新生代、老年代、永久代】
根據(jù)對(duì)象存活的不同生命周期，將內(nèi)存劃分為不同的域，一般情況下，垃圾回收主要回收堆空間（因?yàn)閹缀醮蟛糠謱?duì)象都在堆空間，特例逃逸分析：棧上分配），所以將堆劃分為新生代（1/3）、老年代（2/3）。
老年代：大對(duì)象直接放在老年代；長(zhǎng)期存活的對(duì)象進(jìn)入老年代；
每次只有少量對(duì)象需要被回收，存活率高，比較穩(wěn)定。所以老年代選擇標(biāo)記整理算法或者標(biāo)記清除算法。老年代的垃圾回收叫Major GC；
新生代：存放新生對(duì)象，對(duì)象朝生夕死，大量對(duì)象被回收，少量存活所以復(fù)制成本低，所以新生代選擇復(fù)制算法。新生代的垃圾回收叫Minor GC（復(fù)制-清空-互換）。
永久代：方法區(qū)的永生代，用來(lái)存儲(chǔ)class類、常量、方法描述等，對(duì)永生代的回收主要是廢棄的常量和無(wú)用的類。垃圾較少，收益一般較小，所以垃圾回收主要回收堆空間。1.8之后叫做元空間。
Java內(nèi)存模型

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• 其中新生代又劃分為一個(gè)eden區(qū)，兩個(gè)survivor區(qū)，默認(rèn)比例為8:1:1。
  
• 新生對(duì)象分配在eden區(qū)。如果eden區(qū)的垃圾經(jīng)過一次GC幸存，就復(fù)制到survivor區(qū)，從eden-->survivor 對(duì)象年齡+1，survivor-->eden 對(duì)象年齡+1，如果最后存活對(duì)象的年齡達(dá)到15將被移至老年代。
  
• 動(dòng)態(tài)年齡：按照年齡從小到大對(duì)其所占用的大小進(jìn)行累積，當(dāng)累積的某個(gè)年齡大小超過了survivor區(qū)的一半時(shí)，取這個(gè)年齡和MaxTenuringThreshold中更小的一個(gè)值，作為新的晉升年齡閾值。eg:survivor區(qū)已經(jīng)有一半年齡為4的對(duì)象了，占用了一半survivor區(qū)內(nèi)存了，也將這些對(duì)象移至老年代。
  

注：Major GC前一般會(huì)先進(jìn)行Minor GC，Minor GC頻繁被觸發(fā)，Major GC不會(huì)，無(wú)法找到足夠大的連續(xù)空間分配給新創(chuàng)建的較大對(duì)象時(shí)，也會(huì)提前觸發(fā)Major GC；Major GC速度一般比Minor GC慢10倍以上；
Full GC ：是清理整個(gè)堆空間。

觸發(fā)條件：
①手動(dòng)條用System.gc()
②老年代空間不足；
③方法區(qū)空間不足；
④經(jīng)過Minor GC后，進(jìn)行移動(dòng)或分配的對(duì)象大小大于老年代可用空間。
小結(jié)：分代收集算法就是根據(jù)不同的區(qū)域?qū)ο笊芷谔攸c(diǎn)選擇不同的回收算法；
垃圾回收主要回收堆內(nèi)存；
survivor區(qū)晉升年齡閾值有兩種情況，年齡15或者達(dá)到survivor區(qū)的50%。
三、GC 性能衡量指標(biāo)

1、吞吐量：

這里的衡量吞吐量是指應(yīng)用程序所花費(fèi)的時(shí)間和系統(tǒng)總運(yùn)行時(shí)間的比值。我們可以按照這個(gè)公式來(lái)計(jì)算 GC 的吞吐量：系統(tǒng)總運(yùn)行時(shí)間 = 應(yīng)用程序耗時(shí)+GC 耗時(shí)。如果系統(tǒng)運(yùn)行了 100 分鐘，GC 耗時(shí) 1 分鐘，則系統(tǒng)吞吐量為 99%。GC 的吞吐量一般不能低于 95%。
2、停頓時(shí)間：

指垃圾回收器正在運(yùn)行時(shí)，應(yīng)用程序的暫停時(shí)間。對(duì)于串行回收器而言，停頓時(shí)間可能會(huì)比較長(zhǎng)；而使用并發(fā)回收器，由于垃圾收集器和應(yīng)用程序交替
運(yùn)行，程序的停頓時(shí)間就會(huì)變短，但其效率很可能不如獨(dú)占垃圾收集器，系統(tǒng)的吞吐量也很可能會(huì)降低。
3、垃圾回收頻率：

通常垃圾回收的頻率越低越好，增大堆內(nèi)存空間可以有效降低垃圾回收發(fā)生的頻率，但同時(shí)也意味著堆積的回收對(duì)象越多，最終也會(huì)增加回收時(shí)的停頓時(shí)間。所以我們需要適當(dāng)?shù)卦龃蠖褍?nèi)存空間，保證正常的垃圾回收頻率即可。
四、垃圾收集器

目前主流的7個(gè)：
新生代收集器：Serial、ParNew、Parallel Scavenge；
老年代收集器：Serial Old、Parallel Old、CMS；
整堆收集器：G1；
下面一個(gè)個(gè)介紹下這些收集器特點(diǎn)及作用：
1、Serial（單線程，復(fù)制算法，新生代）

Serial在收集垃圾時(shí)，必須暫停其他所有工作線程，直至垃圾回收結(jié)束，對(duì)于單個(gè)cpu來(lái)說(shuō)，沒有線程交互的開銷，效率高。
因此Serial是java虛擬機(jī)運(yùn)行在Client模式下默認(rèn)的新生代垃圾收集器。
2、ParNew（Serial的并行的多線程版，復(fù)制算法，新生代）

ParNew除了使用多線程進(jìn)行垃圾回收以外，其他行為和Serial一樣，也要暫停所有工作線程。
ParNew默認(rèn)開啟和cpu數(shù)目相同的線程，可以通過參數(shù)-XX:ParallelGCThreads限制線程數(shù)量，是很多虛擬機(jī)在Server模式下新生代默認(rèn)的垃圾收集器。
3、Parallel Scavenge（并行的多線程版，復(fù)制算法，新生代）

重點(diǎn)關(guān)注程序可達(dá)到的一個(gè)可控制的吞吐量，有自適應(yīng)調(diào)節(jié)策略，提升用戶的
體驗(yàn)。是1.8默認(rèn)的新生代收集器。
吞吐量=cpu運(yùn)行用戶代碼時(shí)間/cpu總消耗時(shí)間
自適應(yīng)調(diào)節(jié)策略：
Parallel Scavenge收集器能夠配合自適應(yīng)調(diào)節(jié)策略，把內(nèi)存管理的調(diào)優(yōu)任務(wù)交給虛擬機(jī)去完成。只需要把基本的內(nèi)存數(shù)據(jù)設(shè)置好（如-Xmx設(shè)置最大堆），然后使用MaxGCPauseMillis參數(shù)（更關(guān)注最大停頓時(shí)間）或GCTimeRatio參數(shù)（更關(guān)注吞吐量）給虛擬機(jī)設(shè)立一個(gè)優(yōu)化目標(biāo)，那具體細(xì)節(jié)參數(shù)的調(diào)節(jié)工作就由虛擬機(jī)完成了。
1）java -XX:+PrintFlagsFinal 可以看到1.8默認(rèn)的是 UseParallelGC
ParallelGC 默認(rèn)的是 Parallel Scavenge（新生代）+ Parallel Old（老年代）
2）自適應(yīng)調(diào)節(jié)策略也是Parallel Scavenge收集器與ParNew收集器的一個(gè)重要區(qū)別。
4、Serial Old（單線程，標(biāo)記整理算法，老年代）

主要運(yùn)行在Client模式下，java虛擬機(jī)默認(rèn)的老年代垃圾收集器，
在Server模式下兩種用途：
①jdk1.5之前與新生代的Parallel Scavenge搭配使用；
②作為老年代中CMS收集器的后備垃圾收集方案。
5、Parallel Old（并行的多線程，標(biāo)記整理算法，老年代）

若同樣考慮老年代的吞吐量，可以考慮搭配新生代的Parallel Scavenge使用。
6、CMS（Concurent Mark Sweep）（并發(fā)的多線程，標(biāo)記清除算法、老年代）

主要目的是獲取最短垃圾回收停頓時(shí)間，可以為交互較高的程序提高用戶體驗(yàn)。是目前老年代中唯一一個(gè)標(biāo)記清除算法而不是標(biāo)記整理算法的垃圾收集器。
缺點(diǎn)：cpu敏感、浮動(dòng)垃圾、內(nèi)存碎片
CMS分為四個(gè)階段：
1）初始標(biāo)記（暫停）：只是標(biāo)記一下GC Roots能直接關(guān)聯(lián)的對(duì)象，速度快，暫停所有工作線程；
2）并發(fā)標(biāo)記（并發(fā)）：進(jìn)行GC Roots跟蹤，和用戶線程一起工作；
1）重新標(biāo)記（暫停）：修正并發(fā)標(biāo)記期間，因程序運(yùn)行導(dǎo)致的標(biāo)記變動(dòng)那部分對(duì)象的標(biāo)記，暫停所有工作線程；
1）并發(fā)清除（并發(fā)）：清除GC Roots不可達(dá)對(duì)象，和用戶線程一起工作。
所以總體上看，CMS收集器的內(nèi)存回收和用戶線程是一起并發(fā)執(zhí)行的。eg:web程序，B/S服務(wù)。
7、G1（Garbage first）

G1最突出改進(jìn)：
1）基于標(biāo)記整理算法，沒有碎片；
2）可以非常精準(zhǔn)的控制停頓時(shí)間，在不犧牲吞吐量的前提下，實(shí)現(xiàn)低停頓的回收，讓使用者明確指定在一個(gè)長(zhǎng)度為M毫秒的時(shí)間片段內(nèi)，消耗在垃圾回收上的時(shí)間不得超過N毫秒。
G1是避免全區(qū)域的垃圾收集，而是將java堆劃分為多個(gè)大小固定的獨(dú)立區(qū)域，并且跟蹤這些區(qū)域里面的垃圾堆積程度，在后臺(tái)維護(hù)一個(gè)優(yōu)先列表，每次根據(jù)允許的收集時(shí)間，優(yōu)先回收垃圾最多的區(qū)域。
8、垃圾收集器的搭配

上述7種垃圾收集器的搭配使用，有連接的可以搭配。

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注意幾個(gè)概念：?jiǎn)尉€程、并行、并發(fā)是不一樣的。
并行（Parallel）：指多條垃圾收集線程并行工作，但此時(shí)用戶線程依舊處于等待狀態(tài)； 如ParNew、Parallel Scavenge、Parallel Old；
并發(fā)（Concurrent）：指用戶線程與垃圾收集線程同時(shí)執(zhí)行（但不一定是并行的，可能會(huì)交替執(zhí)行），如CMS、G1；
CMS、G1的并發(fā)標(biāo)記 ：采用了三色標(biāo)記法：分別是白色、灰色和黑色。三色標(biāo)記最大的好處是可以異步執(zhí)行，從而可以以中斷時(shí)間極少的代價(jià)或者完全沒有中斷來(lái)進(jìn)行整個(gè) GC。
并發(fā)標(biāo)記容易產(chǎn)品漏標(biāo)問題，CMS從根從新掃描，G1快照方式對(duì)比差異，具體此處不多延伸。
五、安全點(diǎn)與安全區(qū)域

1、安全點(diǎn)

不是在任何時(shí)候都可以隨便GC的，當(dāng)系統(tǒng)要進(jìn)行垃圾回收時(shí)，業(yè)務(wù)線程不是立馬停下來(lái)的，可想而知立馬停下可能會(huì)有問題，為了準(zhǔn)確安全地回收內(nèi)存，JVM是在Safe Point點(diǎn)時(shí)才進(jìn)行回收，
就是業(yè)務(wù)線程去按照某種策略輪詢檢查這個(gè)變量一旦發(fā)現(xiàn)是安全點(diǎn)（Safe Point）就主動(dòng)掛起，那樣當(dāng)JVM達(dá)到Safe Point就可以安全準(zhǔn)確的GC了。
安全點(diǎn)主要在以下位置設(shè)置：
1） 循環(huán)的末尾
2）方法返回前
3）調(diào)用方法的call之后
4） 拋出異常的位置
2、安全區(qū)域

若用戶線程sleep了等，不能主動(dòng)檢測(cè)變量走向安全點(diǎn)，顯然JVM也不可能等待程序喚醒，這時(shí)候就需要安全區(qū)域了。
安全區(qū)域是指一段代碼片中，引用關(guān)系不會(huì)發(fā)生變化，在這個(gè)區(qū)域任何地方GC都是安全的，安全區(qū)域可以看做是安全點(diǎn)的一個(gè)擴(kuò)展。線程執(zhí)行到安全區(qū)域的代碼時(shí)，首先標(biāo)識(shí)自己進(jìn)入了安全區(qū)域，這樣GC時(shí)就不用管進(jìn)入安全區(qū)域的線層了，線程要離開安全區(qū)域時(shí)就檢查JVM是否完成了GC Roots枚舉，如果完成就繼續(xù)執(zhí)行，如果沒有完成就等待直到收到可以安全離開的信號(hào)。

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