對于垃圾回收霞幅，對于Java程序員來說應(yīng)該是不陌生的娩脾。想要長遠(yuǎn)的發(fā)展赵誓，必須對這塊機制有所了解，
這樣才能寫出更高效的代碼。如果遇到性能的瓶頸俩功，那么肯定要從這方面去分析幻枉，做一些調(diào)優(yōu)。

前言

垃圾回收诡蜓，在Java虛擬機中熬甫，垃圾指的是死亡對象所占用的空間，顧明思議就是對內(nèi)存中已死的對象進(jìn)行回收蔓罚，那么如何找出已死的對象椿肩，如何進(jìn)行回收，已近新的對象內(nèi)存如何分配豺谈，
就是垃圾回收要考慮的地方郑象。

如何判斷對象已死

所謂的對象已死，就是在內(nèi)存中游離的對象茬末，沒有再被用到厂榛，但有占用空間，目前主要有兩種方法去判斷丽惭。

哪些對象是需要回收的呢

猿們都知道JVM的內(nèi)存結(jié)構(gòu)包括五大區(qū)域：程序計數(shù)器击奶、虛擬機棧、本地方法棧责掏、堆區(qū)柜砾、方法區(qū)。
其中程序計數(shù)器换衬、虛擬機棧局义、本地方法棧3個區(qū)域隨線程而生、隨線程而滅冗疮，因此這幾個區(qū)域的內(nèi)存分配和回收都具備確定性萄唇，
就不需要過多考慮回收的問題，因為方法結(jié)束或者線程結(jié)束時术幔，內(nèi)存自然就跟隨著回收了另萤。而Java堆區(qū)和方法區(qū)則不一樣，
這部分內(nèi)存的分配和回收是動態(tài)的诅挑，正是垃圾收集器所需關(guān)注的部分四敞。

垃圾收集器在對堆區(qū)和方法區(qū)進(jìn)行回收前，首先要確定這些區(qū)域的對象哪些可以被回收拔妥，
哪些暫時還不能回收忿危，這就要用到判斷對象是否存活的算法！

引用計數(shù)法

這個做法是為每個對象添加一個引用計數(shù)器没龙，用來統(tǒng)計指向該對象的引用個數(shù)铺厨，每當(dāng)有一個地方引用它時缎玫，計數(shù)器+1，當(dāng)失效后會減1解滓。
一旦該對象的引用計數(shù)器為0赃磨，則說明該對象已死亡，便可以被回收洼裤。

這種方法會帶來一個問題：除了需要格外的空間來存儲引用計數(shù)器邻辉，以及繁瑣的更新操作，還有一個重大漏洞腮鞍，那就是無法處理循環(huán)引用
問題值骇。下面這兩個對象是不會被標(biāo)記會死亡的：

可達(dá)性分析

目前Java虛擬機的主流垃圾回收器采取的可達(dá)性分析算法。這個算法的實質(zhì)在于將一系列GC Roots作為初始的存活對象集合（live Set）移国，然后從該集合出發(fā)雷客，
探索所有能夠被該集合引用的對象，并加入到該集合中桥狡，這個過程就是標(biāo)記過程搅裙。最終，未被探索到的對象便是死亡裹芝，是可回收的部逮。

那么什么是GC Roots，其實就是由堆外指向堆內(nèi)的嫂易，一般GC Roots包括一下幾種：

• 1：Java方法棧中的局部變量兄朋。
• 2：已加載類的靜態(tài)變量。
• 3：JNI中引用對象怜械。
• 4：已啟動但為停止的Java線程

雖然可達(dá)性分析颅和，可以解決循環(huán)引用問題，但自身也存在一些問題缕允，比如說峡扩，在多線程下，其他線程可能會更新已經(jīng)訪問過的對象中的引用障本，
從而造成誤報（將引用設(shè)置為null）或者漏報（將引用設(shè)置為未被訪問過的對象）教届。

垃圾收集算法

其實垃圾回收目前就三種方式，清除驾霜、壓縮與復(fù)制案训，下面我們分別來看下這幾種算法的過程。

標(biāo)記-清除

很明顯城舞，這個算法經(jīng)過多次收集后轩触，回出現(xiàn)很多內(nèi)存碎片，之后可能對于大對象無法存放椿争。

復(fù)制算法

復(fù)制算法的提出是為了克服句柄的開銷和解決內(nèi)存碎片的問題。它將可用內(nèi)存按容量劃分為大小相等的兩塊熟嫩，每次只使用其中的一塊秦踪。當(dāng)這一塊的內(nèi)存用完了，
就將還存活著的對象復(fù)制到另外一塊上面掸茅，然后再把已使用過的內(nèi)存空間一次清理掉椅邓。

標(biāo)記-整理算法

標(biāo)記-整理算法采用標(biāo)記-清除算法一樣的方式進(jìn)行對象的標(biāo)記，但在清除時不同昧狮，在回收不存活的對象占用的空間后景馁，會將所有的存活對象往左端空閑空間移動，
并更新對應(yīng)的指針逗鸣。標(biāo)記-整理算法是在標(biāo)記-清除算法的基礎(chǔ)上合住，又進(jìn)行了對象的移動，因此成本更高撒璧，但是卻解決了內(nèi)存碎片的問題透葛。

分代收集算法

分代收集算法是目前大部分JVM的垃圾收集器采用的算法。它的核心思想是根據(jù)對象存活的生命周期將內(nèi)存劃分為若干個不同的區(qū)域卿樱。
一般情況下將堆區(qū)劃分為老年代（Tenured Generation）和新生代（Young Generation）僚害，在堆區(qū)之外還有一個代就是永久代（Permanet Generation）。老年代的特點是每次垃圾收集時只有少量對象需要被回收繁调，
而新生代的特點是每次垃圾回收時都有大量的對象需要被回收萨蚕，那么就可以根據(jù)不同代的特點采取最適合的收集算法。

幾種算法的比較

安全點 (Safe Point)

HotSpot 并沒有為每條指令都生成 OopMap，而只是在 “特定的位置” 記錄了這些信息帮坚，這些位置稱為安全點（Safepoint）妻往，
即程序執(zhí)行時并非在所有地方都能停頓下來開始 GC，只有在達(dá)到安全點時才能暫停试和。

Safepoint 的選定既不能太少以至于讓 GC 等待時間太長讯泣，也不能多余頻繁以至于過分增大運行時的負(fù)載。所以阅悍，
安全點的選定基本上是以 “是否具有讓程序長時間執(zhí)行的特征” 為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選定的——因為每條指令執(zhí)行的時間非常短暫好渠，
程序不太可能因為指令流長度太長這個原因而過長時間運行昨稼，”長時間執(zhí)行” 的最明顯特征就是指令序列復(fù)用，例如方法調(diào)用拳锚、循環(huán)跳轉(zhuǎn)假栓、異常跳轉(zhuǎn)等，
所以具有這些功能的指令才會產(chǎn)生 Safepoint霍掺。

Stop-The-World

在可達(dá)性分析的時候匾荆，如果有其他工作線程在執(zhí)行或者結(jié)束，那么就會產(chǎn)生新的垃圾杆烁，這就處于一個邊收集便產(chǎn)生的情況牙丽。所以可達(dá)性分析必須
在一個能確保一致性的快照中執(zhí)行。傳統(tǒng)的垃圾回收算法采用的是一種簡單粗暴的方式兔魂，那便是Stop-The-World烤芦，停止其他非垃圾回收線程的工作，
直到完成垃圾回收析校，這也就造成了所謂的暫停時間(GC Pause)构罗。

Java虛擬機中的Stop-The-World是通過安全點（Safepoint）機制來實現(xiàn)的，但java虛擬機收到Stop-The-World請求智玻，它便會等待所有線程都到達(dá)
安全點绰播，才允許請求Stop-The-World的線程進(jìn)行獨占的工作。TW是存在所有垃圾收集器中的尚困，即使是CMS和G1這種幾乎不停頓的垃圾收集器中蠢箩，
枚舉根節(jié)點(GC Root)時也是必須要停頓的。

垃圾收集器

• 1：單線程或者多線程事甜。
• 2：收集對象類型谬泌。

下面看下收集器圖，其中上面區(qū)域表示收集的是年輕代逻谦，下面區(qū)域收集的是老年代掌实，當(dāng)然G1收集器是都可以的。
線條連接的兩個收集器邦马，說明可以組合一起使用贱鼻。

Serial 收集器(復(fù)制算法)

新生代單線程收集器，標(biāo)記和清理都是單線程滋将，優(yōu)點是簡單高效邻悬。它只會是使用一個 CPU 或一條收集線程去完成垃圾收集工作，更重要的是在它進(jìn)行垃圾收集時随闽，必須暫停其他所有的工作線程父丰，直到它收集結(jié)束
是client級別默認(rèn)的GC方式，可以通過-XX:+UseSerialGC來強制指定掘宪。

Serial Old 收集器(標(biāo)記-整理算法)

Serial Old 是 Serial 收集器的老年代版本蛾扇，它同樣是一個單線程收集器攘烛，使用 “標(biāo)記-整理” 算法。Serial/Serial old 收集器的運行過程如圖

ParNew收集器(停止-復(fù)制算法)

新生代收集器镀首，可以認(rèn)為是Serial收集器的多線程版本,在多核CPU環(huán)境下有著比Serial更好的表現(xiàn)坟漱。
由于存在線程交互的開銷，該收集器在通過超線程技術(shù)實現(xiàn)的兩個 CPU 的環(huán)境中都不能百分之百地保證可以超越 Serial 收集器更哄。但是芋齿，當(dāng) CPU 的數(shù)量增加時，
它對于 GC 時系統(tǒng)資源的有效利用還是很有好處的竖瘾，
它默認(rèn)開啟的收集線程數(shù)與 CPU 的數(shù)量相同沟突，在 CPU 非常多（使用超線程時）的環(huán)境下花颗，可以使用 -XX:ParallelGCThreads 參數(shù)來限制垃圾收集的線程數(shù)捕传。
ParNew/Serial old 收集器的運行過程如下圖所示：

Parallel Scavenge收集器(停止-復(fù)制算法)

并行收集器，追求高吞吐量扩劝，高效利用CPU庸论。吞吐量一般為99%， 吞吐量= 用戶線程時間/(用戶線程時間+GC線程時間)棒呛。適合后臺應(yīng)用等對交互相應(yīng)要求不高的場景聂示。是server級別默認(rèn)采用的GC方式，
可用-XX:+UseParallelGC來強制指定簇秒，用-XX:ParallelGCThreads=4來指定線程數(shù)鱼喉。

Parallel Old收集器(停止-復(fù)制算法)

Parallel Scavenge收集器的老年代版本，并行收集器趋观，吞吐量優(yōu)先扛禽。

CMS(Concurrent Mark Sweep)收集器（標(biāo)記-清理算法）

整個過程分為4個步驟：1. 初始標(biāo)記（CMS initial mark） 2. 并發(fā)標(biāo)記（CMS concurrent mark） 3. 重新標(biāo)記（CMS remark） 4. 并發(fā)清除（CMS concurrent sweep）

有以下幾個特點：

• 1： 其中，初試標(biāo)記皱坛、重新標(biāo)記這兩個步驟仍然需要 “Stop The World”编曼。
• 2： 初始標(biāo)記只是標(biāo)記一下 GC Roots 能直接關(guān)聯(lián)到的對象，速度很快剩辟。
• 3： 并發(fā)標(biāo)記階段就是進(jìn)行 GC Roots Tracing 的過程掐场。
• 4：重新標(biāo)記階段則是為了修正并發(fā)標(biāo)記期間因用戶程序繼續(xù)運作而導(dǎo)致標(biāo)記產(chǎn)生變動的那一部分對象的標(biāo)記記錄，這個階段的停頓時間一般會比初試標(biāo)記階段稍長一些贩猎，但遠(yuǎn)比并發(fā)標(biāo)記的時間短熊户。

G1收集器

G1算法將堆劃分為若干個區(qū)域（Region），它仍然屬于分代收集器吭服。不過敏弃，這些區(qū)域的一部分包含新生代，新生代的垃圾收集依然采用暫停所有應(yīng)用線程的方式噪馏，將存活對象拷貝到老年代或者Survivor空間麦到。
老年代也分成很多區(qū)域绿饵，G1收集器通過將對象從一個區(qū)域復(fù)制到另外一個區(qū)域，完成了清理工作瓶颠。這就意味著拟赊，在正常的處理過程中，G1完成了堆的壓縮（至少是部分堆的壓縮）粹淋，這樣也就不會有cms內(nèi)存碎片問題的存在了吸祟。

幾種收集器比較

分配策略

Java大部分對象指存活一小段時間，而小部分java對象存活時間長，
Java虛擬機堆劃分旺韭，將堆劃分為新生代和老年代氛谜。其中，新生代又被分為Eden區(qū)区端，以及兩個大小相等的Survivor區(qū)

默認(rèn)情況下值漫，Java 虛擬機采取的是一種動態(tài)分配的策略（對應(yīng) Java 虛擬機參數(shù) -XX:+UsePSAdaptiveSurvivorSizePolicy），根據(jù)生成對象
的速率织盼，以及 Survivor 區(qū)的使用情況動態(tài)調(diào)整 Eden區(qū)和 Survivor 區(qū)的比例杨何。
當(dāng)然，你也可以通過參數(shù) -XX:SurvivorRatio來固定這個比例沥邻。但是需要注意的是危虱，其中一個 Survivor
區(qū)會一直為空，因此比例越低浪費的堆空間將越高唐全。

對象優(yōu)先在Eden分配

大多數(shù)情況下埃跷，對象在新生代 Eden 區(qū)中分配。當(dāng) Eden 區(qū)沒有足夠空間進(jìn)行分配時芦瘾，虛擬機將發(fā)起一次 Minor GC捌蚊。

• 1: 新生代 GC（ Minor GC）： 指發(fā)生在新生代的垃圾收集動作集畅，因為 Java 對象大多都具備朝生夕滅的特性近弟，所以 Minor GC 非常頻繁，一般回收速度也比較快挺智。
• 2: 老年代 GC（ Major GC/ Full GC）： 指發(fā)生在老年代的 GC祷愉， 出現(xiàn)了 Major GC， 經(jīng)常會伴隨至少一次的 Minor GC（但非絕對的赦颇，在 Parallel Scavenge 收集器的收集策略里就有直接進(jìn)行 Major GC 的策略選擇過程）二鳄。 Major GC 的速度一般會比 Minor GC 慢 10 倍以上。

大對象直接進(jìn)入老年代

所謂的大對象是指：需要大量連續(xù)內(nèi)存空間的 Java 對象媒怯，最典型的大對象就是那種很長的字符串以及數(shù)組订讼。

大對象對虛擬機的內(nèi)存分配來說是一個壞消息，經(jīng)常出現(xiàn)大對象容易導(dǎo)致內(nèi)存還有不少空間時就提前觸發(fā)垃圾收集以獲取足夠的連續(xù)空間來“安置”它們扇苞。

-XX:PretenureSizeThreshold 參數(shù)欺殿，令大于這個設(shè)置值的對象直接在老年代分配（避免了在 Eden 以及兩個 Survivor 區(qū)之間發(fā)送大量的內(nèi)存復(fù)制）。

PretenureSizeThreshold 參數(shù)只對 Serial 和 ParNew 兩款收集器有效鳖敷， Parallel Scavenge 收集器不認(rèn)識這個參數(shù)脖苏。

長期存活的對象將進(jìn)入老年代

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 容納的話定踱，將被移動到 Survivor 空間中棍潘，并且對象年齡設(shè)為 1。 對象在 Survivor 區(qū)中每熬過一次 Minor GC， 年齡就增加 1 歲亦歉，當(dāng)它的年齡增加到一定程度（默認(rèn)為 15 歲）恤浪，就將會被晉升到老年代中。
對象晉升老年代的年齡閾值肴楷，可以通過參數(shù) -XX: MaxTenuringThreshold 設(shè)置资锰。

空間分配擔(dān)保

有沒有想過，如果即時當(dāng)進(jìn)行小的對象分配的時候阶祭，年輕代沒有連續(xù)空間存放绷杜，但老年代有還有足夠空間，那怎么辦呢濒募？
這個時候就出現(xiàn)空間分配擔(dān)保鞭盟。

在發(fā)生 Minor GC 之前，虛擬機會先檢查老年代最大可用的連續(xù)空間是否大于新生代所有對象總空間瑰剃，
如果這個條件成立齿诉，那么 Minor GC 可以確保是安全的。當(dāng)大量對象在 Minor GC 后仍繞存活晌姚，
就需要老年代進(jìn)行空間分配擔(dān)保粤剧，把 Survivor 無法容納的對象直接進(jìn)入老年代。
如果老年代的判斷到剩余空間不足（根據(jù)以往每一次回收晉升到老年代對象容量的平均值作為經(jīng)驗值）挥唠，則進(jìn)行一次 Full GC抵恋。

參考：
博客圓 極客時間 星哥
個人博客
《深入理解Java虛擬機》周志明