Java虚拟机之垃圾回收

1. 判断对象可以被回收

1.1 引用计数法

给对象添加一个引用计数器，每当用一个地方引用它时，计数器加一；当引用失效时，计数器减一，计数器为0的对象就是不可能再被使用的。

存在的弊端：循环引用，如下图中A对象和B对象仅仅只是被彼此引用了，而不会被其它地方所引用，但是存在引用又无法进行回收，这就存在无辜的内存消耗。

1.2 可达性分析算法

通过一系列称为“GC Root” 的对象作为起始点，从这些节点往下找，搜索走过的路程称为引用链，当一个对到GC Roots没有任何引用链时，说明这个对象是不可用的，那么他们就会被判断成可回收的对象。

1.2.1 GC Root 对象

Java中的GC Root 对象：

虚拟机栈中引用的对象；
方法区中类静态属性引用的对象；
方法区中常量引用的对象；
本地方法栈中引用的对象；

使用MAT查看运行项目的GC Root 对象：

1.3 四种引用

强引用：最普遍存在的，只要沿着GC Root 对象的引用链找到就不会被垃圾回收；
软引用：还有用但非必须的对象，没有强引用对象引用它，并且内存不足时就可能会被回收；
弱引用：非必需对象的，没有强引用引用时触发垃圾回收就会被回收；
虚引用：有无虚引用存在不会对对象生存时间造成影响，也无法通过虚引用获取对象实例；虚引用的目的是能够在对象被回收时收到一个系统通知。比如：ByteBuffer，GC回收直接内存，需要引用Cleaner对象来触发Unsafe类的释放内存方法；
终结器引用：所有对象都有一个finallize()方法，当没有强引用对象引用时，JVM会帮助当前对象创建虚拟机引用，当前对象被垃圾回收时，会把终结器引用加入到引用队列，再由其它线程找到这个终结器引用对象，再调用当前对象的finallize()方法，再次GC时会把当前对象回收。

如图：
A1对象：被B对象和A对象两个GC Root 引用不会被垃圾回收；只有引用都断掉才能会被回收。
A2对象：被C对象间接软引用也被B对象引用；如果B对象断开引用，触发垃圾回收时，且内存不够就会回收A2对象。
A3对象：被C对象间接弱引用也被B对象引用；如果B对象断开引用，触发垃圾回收时会回收A3对象。

1.4 引用队列

如果配合了引用队列来使用软引用和弱引用，当软(弱)引用对象所引用的对象被回收时软(弱)对象就会进入到以用队列中去，引用队列可以释放软(弱引用)对象。
虚引用和终结器引用都必须要搭配引用队列来使用，当被虚引用引用的对象回收时，虚引用对象就会进入到引用队列中，

2. 垃圾回收算法

2.1 标记清除

分为“标记”和“清除”两个阶段：首先要标记出所有需要回收的对象，在标记完成后统一回收所有的被标记对象。

特点：

速度快：清除过程只需要记录内存的起始和结束地址；
容易产生内存碎片：清除产生的内存空间不是连续的，无法放下内存较大对象。

2.2 标记整理

分为“标记” 和 “整理部分”，整理之后会将存活的对象都向一端移动，然后直接清理掉边界以外的内存，从而解决内存碎片的问题。

特点：

没有内存碎片；
效率低：移动对象需要考虑对象引用相关问题。

2.3 复制

它将可用内存按容量划分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块。当这一块的内存用完了，就将还存活着的对象复制到另外一块上面，然后再把已使用过的内存空间一次清理掉。

把FROM区存活的对象复制到TO区，并且在复制过程中也会进行整理，不会产生碎片内存，等到清空完成之后交换FROM和TO，

清理之前：

完成清理之后（FROM已经换成了TO区）：

特点：

不会产生碎片；
占用双倍的内存空间。

3. 分代回收

JVM将堆内存划分为如下区域：新生代存放存活时间比较短的对象，老年代存放比较有价值的对象；针对不同的区域采用不同的算法，对垃圾回收施行更有效的管理。

3.1 分代回收过程

创建对象时，会放到伊甸园：

伊甸园无法再容纳新对象时，会触发一次新生代的垃圾回收Minor GC，采用可达性分析，将伊甸园和FROM中存活的对象使用copy复制到TO区，并且将这些对象的寿命加一，交换FROM和TO的位置，将伊甸园中的已经死亡的对象清空。
Minor GC 会引发 Stop the world，将其它用户的线程都暂停，等到复制和回收都完成之后(因为涉及复制相关，如果对象移动就可能会造成混乱)，再启动其它线程。

这样就可以再向伊甸园存放新的对象，然后再进行上诉过程，当一个对象经历过多次Minor GC 之后，他的“寿命”达到一个固定的阈值(最大值15)，就会将这个对象晋升到老年代，

当老年代空间不足会先尝试触发Minor GC，如果空间仍然不足，会触发Full GC；Full GC 的 Stop the world ** 时间会更长，会将整个新生代和老年代都进行清理。

如果触发了Full GC** 之后堆空间仍然不足就会抛出堆内存溢出异常java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space

3.2 GC相关参数

含义	参数
堆容量最大值	-Xmx
堆容量初始值	-Xms
新生代容量	-Xmn
幸存区比例（动态）	-XX:InitialSurvivorRatio=ratio
幸存区比例	-XX:SurvivorRatio=ratio
晋升阈值	-XX:MaxTenuringThreshold=threshold
晋升详情	-XX:+PrintTenuringDistribution
GC详情	-XX:+PrintGCDetails -verbose:gc
Full GC 前 Minor GC	-XX:+ScavengeBeforeFullGC

3.3 实战演示GC过程

添加参数：-Xms20M -Xmx20M -Xmn10M -XX:+UseSerialGC -XX:+PrintGCDetails -verbose:gc
堆内存最大为20M，新生代为10M，那么老年代也是10M

     ArrayList<byte[]> list = new ArrayList<>();list.add(new byte[_7MB]);

当新生代内存不够时会触发Minor GC。

         ArrayList<byte[]> list = new ArrayList<>();list.add(new byte[_8MB]);

当新生代的内存不足够放下一个大对象时，对象会直接晋升到老年代中，不会引起新生代的GC。

         ArrayList<byte[]> list = new ArrayList<>();list.add(new byte[_8MB]);list.add(new byte[_8MB]);

当老年代和新生代都满的时候会先触发Minor GC 然后再触发 Full GC 如果此时还不能创建新对象就会抛出异常。

  new Thread(()->{ArrayList<byte[]> list = new ArrayList<>();list.add(new byte[_8MB]);list.add(new byte[_8MB]);}).start();

其它的线程创建对象时如果堆内存溢出不会影响主线程。

4. 垃圾回收器

4.1 串行

单线程垃圾回收器，运行时其它线程都暂停，
适合堆内存较小的个人电脑。

开启串行回收器：-XX:+UseSerialGC = Serial + SerialOld，新生代采用copy算法，老年代采用复制-整理算法。

普通线程在一个安全点停下来，保证对象的地址不会改变，普通线程进入阻塞状态，等待垃圾回收线程回收完毕，在变回到运行态。

4.2 吞吐量优先

多线程垃圾回收器，在单位时间内Stop the world的时间最短。指一定时间内触发的GC的总和时间最短。
适合堆内存较大，多核CPU来支持，服务器电脑

在JDK1.8下默认使用的是吞吐量优先垃圾回收器，等线程达到安全点后会开启多个线程同时回收，默认情况下线程的数量是基于计算机本身的核心数的，可以通过：

-XX:ParallelGCThreads = n ：来设置线程数量；
-XX:+UseAdaptiveSizePolicy：开启自适应调整新生代大小；
-XX:GCTimeRatio=ratio：调整垃圾回收时间和总时间的占比，计算公式：1 / (1 + ratio)，默认99，一般使用19，如果达不到这个目标就会尝试调整堆的大小，从而达到吞吐量的提高。
-XX:MaxGCPauseMills = nms：最大暂停毫秒数，默认200ms。

4.3 响应时间优先

多线程垃圾回收器，使单次回收Stop the world的时间尽可能的短。工作在老年代
适合堆内存较大，多核CPU来支持。

-XX:+UseConMarkSweepGC ~ -XX+UseParNewGC ~ SerialOld，开启方式，用户线程和垃圾回收线程同时进行。
-XX:ParalleGCThreads=n ~ -XX:ConGCThreads = threads：指定并发线程和并行线程，一般设置并行线程为并发的1/4来执行垃圾回收，其它的线程正常运行。
-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=precent：设置CMS垃圾回收的内存占比，；因为在垃圾回收过程中会产生新的垃圾称为浮动垃圾，需要预留出来一部分空间给浮动垃圾。
-XX:+CMSScavengeBeforeRemark：在重新标记之前，对新生代做一次垃圾回收；在重新标记过程中，需要对整个堆内存进行扫描，新生代中对象较多，并且有部分需要回收，对他们进行扫描会影响性能。

工作流程：当老年代内存不足时会将所有的线程在安全点停下来，垃圾回收线程进行初始标记，标记完成之后其它线程可以重新运行，垃圾回收线程并发标记，等到并发标记完成之后，需要Stop the World，所有线程一块进行标记，标记完成之后，垃圾回收线程执行并发清理，其它线程同时运行。

因为需要部分线程来进行垃圾回收，所以对程序的吞吐量有一定的影响。

5. G1垃圾回收器

Garbage First ，不过一般发音称Garbage One。
在JDK9中为JVM默认的垃圾回收器，取代了之前的CMS垃圾回收器。
开启G1：-XX:+UseG1GC

使用场景：

注重吞吐量和低延迟，默认的暂停目标是200ms；最大暂停时间：-XX:MaxGCPauseMill=time；
超大堆内存，将堆内存划分为多个相等的区域；设置区域大小：-XX:G1HeapRegionSize=n，值只能是2的倍数(或者1)。
整体上是标记+整理算法，两个区域之间是复制算法。

5.1 垃圾回收阶段

三个垃圾回收阶段是循环运行的。

5.1.1 Young Collection

新生代垃圾回收，G1将堆内存划分称大小相等的多个区域，每个区域都可以独立作为伊甸园、FROM、TO。当作为伊甸园的区域被占满是，会触发Young Collection，会触发STW。

当触发了新生代回收时，会将幸存的对象复制到幸存区。

再次触发Young Collection时，年龄不够的存活对象会被复制到其它的幸存区，当对象存活时间足够久之后会晋升到老年代。

5.1.2 Young Collection + Concurrent Mark

新生代垃圾回收时会进行GC Root初始标记；老年代的堆空间比例达到一定阈值时，会进行并发标记。
配置阈值：-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=n默认为45%。

5.1.3 Mixed Collection

混合回收会对伊甸园、幸存区、老年代进行统一回收。
新生代的晋升和回收和上方回收一样。
不同的是针对于老年代的回收，如果暂停时间不足，G1会基于设置的最大暂停时间有选择的回收老年代中的垃圾对象，因此被称为Garbage First。相反如果时间足够就会回收全部。
设置最大暂停时间：-XX:MaxGCPauseMillis=ms

5.1.4 Young Collection 跨代引用

可达性分析需要找到其对象的根对象，如果新生代对象的根对象位于老年代，但老年代存活对象非常多，全部遍历效率低。因此采用了一个Card Table 技术，如果其中有对象引用了新生代对象，就标记为脏卡，这样在进行GC Root时直接去脏卡里面找，提高效率。
伊甸园中通过Remember Set 记录脏卡的位置，变更时也会异步更新Remember Set。

脏卡引用：

5.1.5 Remark

如图普通标记阶段所示：

黑色表示重新标记完成，并且有对象以用它；
灰色正在标记处理；
白色暂未处理；
处理之后如果没有引用也是白色；
全部处理完毕会清除白色的对象。

但由于标记是异步处理的，如果在异步处理过程中，对象的引用地址改变，会造成意外回收被强引用的对象。

Remark重新标记阶段：只要对象的引用发生了变化，就会执行写屏障pre-write barrier指令，将对象加入到队列satb_mark_queue中，再等待处理。等到整个并发标记结束了之后，会进行重新标记，暂停所有的用户线程，把队列中的对象取出重新检查。

5.1.6 字符串去重

在JDK 8u20版本之后引入了字符串去重。将所有新分配的字符串放入一个队列，当新生代回收时，G1并发检查是否有字符串重复，如果值一样就引用相同的。
开启：-XX:+UseStringDeduplication

优点：节省内存；
缺点：占用CPU时间，新生代垃圾回收时间增加。

5.1.7 类卸载

在JDK 8u40之后，当所有的对象都经过并发标记后，如果一个类加载器的所有类都不再使用，就卸载它的所有类。
开启：-XX:+ClassUnloadingWithConcurrentMark

5.1.8 回收巨型对象

当一个对象大于分区一般时，称为巨型对象；G1不对拷贝巨型对象，且会优先考虑回收。如果老年代中有没有“卡”引用了巨型对象，该巨型对象就会被新生代回收时回收掉。

如图中H：

没有老年代引用的巨型对象：