怎么理解Java常見知識點中的垃圾回收機制-創(chuàng)新互聯(lián)

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Java堆中存放著大量的Java對象實例，在垃圾收集器回收內(nèi)存前，第一件事情就是確定哪些對象是“活著的”，哪些是可以回收的。

Java中Stop-The-World機制簡稱STW，是在執(zhí)行垃圾收集算法時，Java應用程序的其他所有線程都被掛起（除了垃圾收集幫助器之外）。Java中一種全局暫?，F(xiàn)象，全局停頓，所有Java代碼停止，native代碼可以執(zhí)行，但不能與JVM交互；這些現(xiàn)象多半是由于gc引起。

一. 判斷對象是否存活的算法

1. 引用計數(shù)算法（基本棄用）

引用計數(shù)算法是判斷對象是否存活的基本算法：給每個對象添加一個引用計數(shù)器，沒當一個地方引用它的時候，計數(shù)器值加1；當引用失效后，計數(shù)器值減1。但是這種方法有一個致命的缺陷，當兩個對象相互引用時會導致這兩個都無法被回收。

2. 根搜索算法（目前使用中）

在主流的商用語言中（Java、C#…）都是使用根搜索算法來判斷對象是否存活。對于程序來說，根對象總是可以訪問的。從這些根對象開始，任何可以被觸及的對象都被認為是”活著的”的對象。無法觸及的對象被認為是垃圾，需要被回收。

Java虛擬機的根對象集合根據(jù)實現(xiàn)不同而不同，但是總會包含以下幾個方面：

棧（棧幀中的本地變量表）中引用的對象。
方法區(qū)中的類靜態(tài)屬性引用的變量。
方法區(qū)中的常量引用的變量。
本地方法JNI的引用對象。

區(qū)分活動對象和垃圾的兩個基本方法是引用計數(shù)和根搜索。引用計數(shù)是通過為堆中每個對象保存一個計數(shù)來區(qū)分活動對象和垃圾。根搜索算法實際上是追蹤從根結(jié)點開始的引用圖。

在主流的商用程序語言（如我們的Java）的主流實現(xiàn)中，都是通過可達性分析算法來判定對象是否存活的。

二. 垃圾收集算法

1. 標記-清除算法

分標記和清除兩個階段：首先標記處所需要回收的對象，在標記完成后統(tǒng)一回收所有被標記的對象。

它有兩點不足：一個效率問題，標記和清除過程都效率不高；一個是空間問題，標記清除之后會產(chǎn)生大量不連續(xù)的內(nèi)存碎片（類似于我們電腦的磁盤碎片），空間碎片太多導致需要分配大對象時無法找到足夠的連續(xù)內(nèi)存而不得不提前觸發(fā)另一次垃圾回收動作。

2. 復制算法

為了解決效率問題，出現(xiàn)了“復制”算法，他將可用內(nèi)存按容量劃分為大小相等的兩塊，每次只需要使用其中一塊。當一塊內(nèi)存用完了，將還存活的對象復制到另一塊上面，然后再把剛剛用完的內(nèi)存空間一次清理掉。這樣就解決了內(nèi)存碎片問題，但是代價就是可以用內(nèi)容就縮小為原來的一半。

3. 標記-整理算法

復制算法在對象存活率較高時就會進行頻繁的復制操作，效率將降低。因此又有了標記-整理算法，標記過程同標記-清除算法，但是在后續(xù)步驟不是直接對對象進行清理，而是讓所有存活的對象都向一側(cè)移動，然后直接清理掉端邊界以外的內(nèi)存。

4. 分代收集法

當前商業(yè)虛擬機的GC都是采用分代收集算法

為了增大垃圾收集的效率，所以JVM將堆進行分代，分為不同的部分，一般有三部分，新生代，老年代和永久代（在新的版本中已經(jīng)將永久代廢棄，引入了元空間的概念，永久代使用的是JVM內(nèi)存而元空間直接使用物理內(nèi)存）：

新生代（對應minor GC）：所有新new出來的對象都會最先出現(xiàn)在新生代中，當新生代這部分內(nèi)存滿了之后，就會發(fā)起一次垃圾收集事件，這種發(fā)生在新生代的垃圾收集稱為Minor collections。這種收集通常比較快，因為新生代的大部分對象都是需要回收的，那些暫時無法回收的就會被移動到老年代。
老年代（對應Full GC）：老年代用來存儲那些存活時間較長的對象。一般來說，我們會給新生代的對象限定一個存活的時間，當達到這個時間還沒有被收集的時候就會被移動到老年代中。
永久代：用于存放靜態(tài)文件，如Java類、方法等。持久代對垃圾回收沒有顯著影響，但是有些應用可能動態(tài)生成或者調(diào)用一些class，例如Hibernate 等，在這種時候需要設(shè)置一個比較大的持久代空間來存放這些運行過程中新增的類。

程序中主動調(diào)用System.gc()強制執(zhí)行的GC為Full GC。

大概流程：

內(nèi)存分區(qū)：

年輕代(Young Generation)（Eden,Survivor-s0,Survivor-s1，大小比例默認為8:1:1）

年老代(Old Generation)

永久代(Permanent Generation)。（包含應用的類/方法信息, 以及JRE庫的類和方法信息.和垃圾回收基本無關(guān)）

新生代中的對象“朝生夕死”，每次GC時都會有大量對象死去，少量存活，使用復制算法。新生代又分為Eden區(qū)和Survivor區(qū)（Survivor from、Survivor to），大小比例默認為8:1:1。

老年代中的對象因為對象存活率高、沒有額外空間進行分配擔保，就使用標記-清除或標記-整理算法。

新產(chǎn)生的對象優(yōu)先進去Eden區(qū)，當Eden區(qū)滿了之后再使用Survivor from，當Survivor from 也滿了之后就進行Minor GC（新生代GC），將Eden和Survivor from中存活的對象copy進入Survivor to，然后清空Eden和Survivor from，這個時候原來的Survivor from成了新的Survivor to，原來的Survivor to成了新的Survivor from。復制的時候，如果Survivor to 無法容納全部存活的對象，則根據(jù)老年代的分配擔保（類似于銀行的貸款擔保）將對象copy進去老年代，如果老年代也無法容納，則進行Full GC（老年代GC）。

大對象直接進入老年代：JVM中有個參數(shù)配置-XX:PretenureSizeThreshold，令大于這個設(shè)置值的對象直接進入老年代，目的是為了避免在Eden和Survivor區(qū)之間發(fā)生大量的內(nèi)存復制。
長期存活的對象進入老年代：JVM給每個對象定義一個對象年齡計數(shù)器，如果對象在Eden出生并經(jīng)過第一次Minor GC后仍然存活，并且能被Survivor容納，將被移入Survivor并且年齡設(shè)定為1。每熬過一次Minor GC，年齡就加1，當他的年齡到一定程度（默認為15歲，可以通過XX:MaxTenuringThreshold來設(shè)定），就會移入老年代。
但是JVM并不是永遠要求年齡必須達到大年齡才會晉升老年代，如果Survivor 空間中相同年齡（如年齡為x）所有對象大小的總和大于Survivor的一半，年齡大于等于x的所有對象直接進入老年代，無需等到大年齡要求。

三. 垃圾收集器

垃圾回收算法是方法論，垃圾回收器是實現(xiàn)。

Serial收集器：串行收集器是最古老，最穩(wěn)定以及效率高的收集器，可能會產(chǎn)生較長的停頓，只使用一個線程去回收。（STW）它是虛擬機運行在client模式下的默認新生代收集器：簡單而高效（與其他收集器的單個線程相比，因為沒有線程切換的開銷等）。
ParNew收集器：ParNew收集器其實就是Serial收集器的多線程版本。（STW）是許多運行在Server模式下的JVM中選的新生代收集器，其中一個很重還要的原因就是除了Serial之外，只有他能和老年代的CMS收集器配合工作。
Parallel Scavenge收集器：Parallel Scavenge收集器類似ParNew收集器，Parallel收集器更關(guān)注系統(tǒng)的吞吐量（就是CPU運行用戶代碼的時間與CPU總消耗時間的比值，即吞吐量=運行用戶代碼的時間/[運行用戶代碼的時間+垃圾收集時間]）。
CMS收集器：CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是一種以獲取最短回收停頓時間為目標的收集器。，停頓時間短，用戶體驗就好。

基于“標記清除”算法，并發(fā)收集、低停頓，運作過程復雜，分4步：

初始標記：僅僅標記GC Roots能直接關(guān)聯(lián)到的對象，速度快，但是需要“Stop The World”
并發(fā)標記：就是進行追蹤引用鏈的過程，可以和用戶線程并發(fā)執(zhí)行。
重新標記：修正并發(fā)標記階段因用戶線程繼續(xù)運行而導致標記發(fā)生變化的那部分對象的標記記錄，比初始標記時間長但遠比并發(fā)標記時間短，需要“Stop The World”
并發(fā)清除：清除標記為可以回收對象，可以和用戶線程并發(fā)執(zhí)行

由于整個過程耗時最長的并發(fā)標記和并發(fā)清除都可以和用戶線程一起工作，所以總體上來看，CMS收集器的內(nèi)存回收過程和用戶線程是并發(fā)執(zhí)行的。

CSM收集器有3個缺點：

1)對CPU資源非常敏感

并發(fā)收集雖然不會暫停用戶線程，但因為占用一部分CPU資源，還是會導致應用程序變慢，總吞吐量降低。

CMS的默認收集線程數(shù)量是=(CPU數(shù)量+3)/4；當CPU數(shù)量多于4個，收集線程占用的CPU資源多于25%，對用戶程序影響可能較大；不足4個時，影響更大，可能無法接受。

2)無法處理浮動垃圾（在并發(fā)清除時，用戶線程新產(chǎn)生的垃圾叫浮動垃圾）,可能出現(xiàn)”Concurrent Mode Failure”失敗。

并發(fā)清除時需要預留一定的內(nèi)存空間，不能像其他收集器在老年代幾乎填滿再進行收集；如果CMS預留內(nèi)存空間無法滿足程序需要，就會出現(xiàn)一次”Concurrent Mode Failure”失?。贿@時JVM啟用后備預案：臨時啟用Serail Old收集器，而導致另一次Full GC的產(chǎn)生；

3)產(chǎn)生大量內(nèi)存碎片：CMS基于”標記-清除”算法，清除后不進行壓縮操作產(chǎn)生大量不連續(xù)的內(nèi)存碎片，這樣會導致分配大內(nèi)存對象時，無法找到足夠的連續(xù)內(nèi)存，從而需要提前觸發(fā)另一次Full GC動作。

Serial Old收集器：Serial 收集器的老年代版本，單線程，“標記整理”算法，主要是給Client模式下的虛擬機使用?？梢宰鳛镃MS的后背方案，在CMS發(fā)生Concurrent Mode Failure是使用
Parallel Old 收集器：Parallel Scavenge的老年代版本，多線程，“標記整理”算法，JDK 1.6才出現(xiàn)。在此之前Parallel Scavenge只能同Serial Old搭配使用，由于Serial Old的性能較差導致Parallel Scavenge的優(yōu)勢發(fā)揮不出來，Parallel Old收集器的出現(xiàn)，使“吞吐量優(yōu)先”收集器終于有了名副其實的組合。在吞吐量和CPU敏感的場合，都可以使用Parallel Scavenge/Parallel Old組合。
G1收集器：G1 (Garbage-First)是一款面向服務器的垃圾收集器,主要針對配備多顆處理器及大容量內(nèi)存的機器. 以極高概率滿足GC停頓時間要求的同時,還具備高吞吐量性能特征。G1是面向服務端應用的垃圾收集器。它的使命是未來可以替換掉CMS收集器。

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