前言

本文章部分引用自

• 知乎胖胖的回答
• 可文分身的簡(jiǎn)書(shū)

垃圾收集器及內(nèi)存分配策略

判斷對(duì)象存活

判斷對(duì)象存活算法

兩種：引用計(jì)數(shù)算法和可達(dá)性分析算法

引用計(jì)數(shù)算法

給對(duì)象中添加一個(gè)引用計(jì)數(shù)器，每當(dāng)有一個(gè)地方引用它時(shí)直撤，計(jì)數(shù)器值就加1；當(dāng)引用失效時(shí)灿意，計(jì)數(shù)器值就減1；任何時(shí)刻計(jì)數(shù)器為0的對(duì)象就是不可能再被使用的让簿。

圖1 引用計(jì)數(shù)算法示意圖

可達(dá)性分析算法

通過(guò)一系列的稱為“GC Roots”的對(duì)象作為起始點(diǎn)叮称，從這些節(jié)點(diǎn)開(kāi)始向下搜索，搜索所走過(guò)的路徑稱為引用鏈（Reference Chain）曹洽，當(dāng)一個(gè)對(duì)象到GC Roots沒(méi)有任何引用鏈相連（用圖論的話來(lái)說(shuō)，就是從GC Roots到這個(gè)對(duì)象不可達(dá)）時(shí)辽剧，則證明此對(duì)象是不可用的送淆。

• GC Roots對(duì)象

  • 虛擬機(jī)棧（棧幀中的本地變量表）中引用的對(duì)象。

    • 這主要指main方法中產(chǎn)生的儲(chǔ)存在JVM棧中的對(duì)對(duì)象的引用怕轿、GC會(huì)去找當(dāng)前stack區(qū)里還留有的main方法產(chǎn)生的引用偷崩。

      
      
      圖2 GC查找棧中留有main方法的引用

  • 方法區(qū)中類靜態(tài)屬性引用的對(duì)象。

    • 靜態(tài)方法和變量不產(chǎn)生實(shí)例撞羽，直接由類引用阐斜。Java的類
      由java.lang.ClassLoader類加載器加載，類的數(shù)據(jù)都不在邏輯堆诀紊，而是存在Method Area方法區(qū)谒出，現(xiàn)在叫Metaspace。類本身一旦被GC清除渡紫，他的所有靜態(tài)變量也就跟著被釋放了

  • 方法區(qū)中常量引用的對(duì)象到推。

  • 本地方法棧中JNI（即一般說(shuō)的Native方法）引用的對(duì)象考赛。

引用的分類

• 強(qiáng)引用
  • 類似“Object obj=new Object（）”這類的引用惕澎，只要強(qiáng)引用還存在，垃圾收集器永遠(yuǎn)不會(huì)回收掉被引用的對(duì)象
• 軟引用
  • 描述一些還有用但并非必需的對(duì)象颜骤。 對(duì)于軟引用關(guān)聯(lián)著的對(duì)象唧喉，在系統(tǒng)將要發(fā)生內(nèi)存溢出異常之前，將會(huì)把這些對(duì)象列進(jìn)回收范圍之中進(jìn)行第二次回收忍抽。 如果這次回收還沒(méi)有足夠的內(nèi)存八孝，才會(huì)拋出內(nèi)存溢出異常。
• 弱引用
  • 用來(lái)描述非必需對(duì)象的鸠项，但是它的強(qiáng)度比軟引用更弱一些干跛，被弱引用關(guān)聯(lián)的對(duì)象只能生存到下一次垃圾收集發(fā)生之前。 當(dāng)垃圾收集器工作時(shí)祟绊，無(wú)論當(dāng)前內(nèi)存是否足夠楼入，都會(huì)回收掉只被弱引用關(guān)聯(lián)的對(duì)象哥捕。
• 虛引用
  • 也稱為幽靈引用或者幻影引用，它是最弱的一種引用關(guān)系嘉熊。 一個(gè)對(duì)象是否有虛引用的存在遥赚，完全不會(huì)對(duì)其生存時(shí)間構(gòu)成影響，也無(wú)法通過(guò)虛引用來(lái)取得一個(gè)對(duì)象實(shí)例阐肤。

圖3 引用的分類

宣告一個(gè)對(duì)象死亡的過(guò)程

要真正宣告一個(gè)對(duì)象死亡凫佛，至少要經(jīng)歷兩次標(biāo)記過(guò)程：

• 如果對(duì)象在進(jìn)行可達(dá)性分析后發(fā)現(xiàn)沒(méi)有與GC Roots相連接的引用鏈，那它將會(huì)被第一次標(biāo)記并且進(jìn)行一次篩選孕惜，篩選的條件是此對(duì)象是否有必要執(zhí)行finalize（）方法愧薛。
  • 當(dāng)對(duì)象沒(méi)有覆蓋finalize（）方法，或者finalize（）方法已經(jīng)被虛擬機(jī)調(diào)用過(guò)，虛擬機(jī)將這兩種情況都視為“沒(méi)有必要執(zhí)行”偏塞。
  • 如果這個(gè)對(duì)象被判定為有必要執(zhí)行finalize（）方法菜职，那么這個(gè)對(duì)象將會(huì)放置在一個(gè)叫做F-Queue的隊(duì)列之中，并在稍后由一個(gè)由虛擬機(jī)自動(dòng)建立的碘箍、 低優(yōu)先級(jí)的Finalizer線程去執(zhí)行它。
    • 這里所謂的“執(zhí)行”是指虛擬機(jī)會(huì)觸發(fā)這個(gè)方法鲸郊，但并不承諾會(huì)等待它運(yùn)行結(jié)束丰榴，這樣做的原因是，如果一個(gè)對(duì)象在finalize（）方法中執(zhí)行緩慢秆撮，或者發(fā)生了死循環(huán)（更極端的情況）四濒，將很可能會(huì)導(dǎo)致F-Queue隊(duì)列中其他對(duì)象永久處于等待，甚至導(dǎo)致整個(gè)內(nèi)存回收系統(tǒng)崩潰职辨。
• finalize（）方法是對(duì)象逃脫死亡命運(yùn)的最后一次機(jī)會(huì)盗蟆，稍后GC將對(duì)F-Queue中的對(duì)象進(jìn)行第二次小規(guī)模的標(biāo)記
  • 如果對(duì)象要在finalize（）中成功拯救自己——只要重新與引用鏈
    上的任何一個(gè)對(duì)象建立關(guān)聯(lián)即可，譬如把自己（this關(guān)鍵字）賦值給某個(gè)類變量或者對(duì)象的成員變量舒裤，那在第二次標(biāo)記時(shí)它將被移除出“即將回收”的集合喳资；
  • 如果對(duì)象這時(shí)候還沒(méi)有逃脫，那基本上它就真的被回收了腾供。

圖4 宣告一個(gè)對(duì)象死亡的過(guò)程

回收方法區(qū)

永久代（方法區(qū)）的垃圾收集主要回收兩部分內(nèi)容：廢棄常量和無(wú)用的類

• 廢棄常量
  • 假如一個(gè)字符串“abc”已經(jīng)進(jìn)入了常量池中仆邓，但是當(dāng)前系統(tǒng)沒(méi)有任何一個(gè)String對(duì)象是叫做“abc”的，換句話說(shuō)伴鳖，就是沒(méi)有任何String對(duì)象引用常量池中的“abc”常量节值，也沒(méi)有其他地方引用了這個(gè)字面量，如果這時(shí)發(fā)生內(nèi)存回收榜聂，而且必要的話搞疗，這個(gè)“abc”常量就會(huì)被系統(tǒng)清理出常量池。
• 無(wú)用的類：同時(shí)滿足下面3個(gè)條件的類（實(shí)例须肆、類加載器被回收匿乃，java.lang.Class對(duì)象沒(méi)有被引用）
  • 該類所有的實(shí)例都已經(jīng)被回收脐往，也就是Java堆中不存在該類的任何實(shí)例。
  • 加載該類的ClassLoader已經(jīng)被回收扳埂。
  • 該類對(duì)應(yīng)的java.lang.Class對(duì)象沒(méi)有在任何地方被引用业簿，無(wú)法在任何地方通過(guò)反射訪問(wèn)該類的方法。

垃圾收集算法

標(biāo)記-清除算法

算法分為“標(biāo)記”和“清除”兩個(gè)階段：首先標(biāo)記出所有需要回收的對(duì)象阳懂，在標(biāo)記完成后統(tǒng)一回收所有被標(biāo)記的對(duì)象（標(biāo)記過(guò)程在上文宣告一個(gè)對(duì)象死亡過(guò)程中提及）

• 缺點(diǎn)
  • 效率問(wèn)題梅尤，標(biāo)記和清除兩個(gè)過(guò)程的效率都不高（回收后空間碎片過(guò)多，再次回收（即可達(dá)性分析時(shí)）有時(shí)需要遍歷整個(gè)內(nèi)存區(qū)域）
  • 空間問(wèn)題岩调，標(biāo)記清除之后會(huì)產(chǎn)生大量不連續(xù)的內(nèi)存碎片巷燥，空間碎片太多可能會(huì)導(dǎo)致以后在程序運(yùn)行過(guò)程中需要分配較大對(duì)象時(shí)，無(wú)法找到足夠的連續(xù)內(nèi)存而不得不提前觸發(fā)另一次垃圾收集動(dòng)作号枕。

圖5 標(biāo)記-清除算法

復(fù)制算法（新生代算法）

將可用內(nèi)存按容量劃分為大小相等的兩塊缰揪，每次只使用其中的一塊。 當(dāng)這一塊的內(nèi)存用完了葱淳，就將還存活著的對(duì)象復(fù)制到另外一塊上面钝腺，然后再把已使用過(guò)的內(nèi)存空間一次清理掉。

• 優(yōu)點(diǎn)
  • 每次都是對(duì)整個(gè)半?yún)^(qū)進(jìn)行內(nèi)存回收赞厕，內(nèi)存分配時(shí)也就不用考慮內(nèi)存碎片等復(fù)雜情況艳狐，只要移動(dòng)堆頂指針，按順序分配內(nèi)存即可皿桑，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單毫目，運(yùn)行高效
• 缺點(diǎn)
  • 代價(jià)是將內(nèi)存縮小為了原來(lái)的一半，未免太高了一點(diǎn)诲侮。
  • 解決方法
    　　新生代中的對(duì)象98%是“朝生夕死”的镀虐，所以并不需要按照1:1的比例來(lái)劃分內(nèi)存空間，而是將內(nèi)存分為一塊較大的Eden空間和兩塊較小的Survivor空間沟绪，每次使用Eden和其中一塊Survivor刮便。
    　　當(dāng)回收時(shí)，將Eden和Survivor中還存活著的對(duì)象一次性地復(fù)制到另外一塊Survivor空間上近零，最后清理掉Eden和剛才用過(guò)的Survivor空間诺核。
• 當(dāng)Survivor空間不夠用時(shí)，需要依賴其他內(nèi)存（老年代）進(jìn)行分配擔(dān)保（Handle Promotion）
  
  圖6 復(fù)制算法示意圖1

圖7 復(fù)制算法示意圖2

標(biāo)記-整理算法（老年代算法）

標(biāo)記過(guò)程仍然與“標(biāo)記-清除”算法一樣久信，但后續(xù)步驟不是直接對(duì)可回收對(duì)象進(jìn)行清理，而是讓所有存活的對(duì)象都向一端移動(dòng)漓摩，然后直接清理掉端邊界以外的內(nèi)存

圖8 標(biāo)記-整理算法示意圖

分代收集算法

根據(jù)對(duì)象存活周期的不同將內(nèi)存劃分為幾塊裙士。 一般是把Java堆
分為新生代和老年代，這樣就可以根據(jù)各個(gè)年代的特點(diǎn)采用最適當(dāng)?shù)氖占惴ā?在新生代中管毙，每次垃圾收集時(shí)都發(fā)現(xiàn)有大批對(duì)象死去腿椎，只有少量存活桌硫，那就選用復(fù)制算法，只需要付出少量存活對(duì)象的復(fù)制成本就可以完成收集啃炸。 而老年代中因?yàn)閷?duì)象存活率高铆隘、 沒(méi)有額外空間對(duì)它進(jìn)行分配擔(dān)保，就必須使用“標(biāo)記—清理”或者“標(biāo)記—整理”算法來(lái)進(jìn)行回收南用。

HotSpot的算法實(shí)現(xiàn)

枚舉根節(jié)點(diǎn)

• 可達(dá)性分析的缺點(diǎn)
  • 從GC Roots節(jié)點(diǎn)找引用鏈這個(gè)操作為例膀钠，可作為GC Roots的節(jié)點(diǎn)主要在全局性的引用（例如常量或類靜態(tài)屬性）與執(zhí)行上下文（例如棧幀中的本地變量表）中，現(xiàn)在很多應(yīng)用僅僅方法區(qū)就有數(shù)百兆裹虫，如果要逐個(gè)檢查這里面的引用肿嘲，那么必然會(huì)消耗很多時(shí)間。
  • 可達(dá)性分析對(duì)執(zhí)行時(shí)間的敏感還體現(xiàn)在GC停頓上筑公，因?yàn)檫@項(xiàng)分析工作必須在一個(gè)能確保一致性的快照中進(jìn)行——這里“一致性”的意思是指在整個(gè)分析期間整個(gè)執(zhí)行系統(tǒng)看起來(lái)就像被凍結(jié)在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上雳窟，不可以出現(xiàn)分析過(guò)程中對(duì)象引用關(guān)系還在不斷變化的情況，該點(diǎn)不滿足的話分析結(jié)果準(zhǔn)確性就無(wú)法得到保證匣屡。 這點(diǎn)是導(dǎo)致GC進(jìn)行時(shí)必須停頓所有Java執(zhí)行線程（Sun將這件事情稱為“Stop The World”）的其中一個(gè)重要原因封救，即使是在號(hào)稱（幾乎）不會(huì)發(fā)生停頓的CMS收集器中，枚舉根節(jié)點(diǎn)時(shí)也是必須要停頓的捣作。

由于目前的主流Java虛擬機(jī)使用的都是準(zhǔn)確式GC兴泥，所以當(dāng)執(zhí)行系統(tǒng)停頓下來(lái)后，并不需要一個(gè)不漏地檢查完所有執(zhí)行上下文和全局的引用位置虾宇，虛擬機(jī)應(yīng)當(dāng)是有辦法直接得知哪些地方存放著對(duì)象引用搓彻。 在HotSpot的實(shí)現(xiàn)中，是使用一組稱為OopMap的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)達(dá)到這個(gè)目的的嘱朽，在類加載完成的時(shí)候旭贬，HotSpot就把對(duì)象內(nèi)什么偏移量上是什么類型的數(shù)據(jù)計(jì)算出來(lái)，在JIT編譯過(guò)程中搪泳，也會(huì)在特定的位置記錄下棧和寄存器中哪些位置是引用稀轨。 這樣，GC在掃描時(shí)就可以直接得知這些信息了岸军。

• 判斷對(duì)象引用
  • 類加載時(shí)奋刽，使用OopMap的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
  • JIT編譯時(shí)特定記錄

安全點(diǎn)

在OopMap的協(xié)助下，HotSpot可以快速且準(zhǔn)確地完成GC Roots枚舉艰赞，但可能導(dǎo)致引用關(guān)系變化佣谐，或者說(shuō)OopMap內(nèi)容變化的指令非常多，如果為每一條指令都生成對(duì)應(yīng)的OopMap方妖，那將會(huì)需要大量的額外空間狭魂，這樣GC的空間成本將會(huì)變得很高。（選取的安全點(diǎn)引用關(guān)系變化不大，且安全點(diǎn)的個(gè)數(shù)較為適宜）
實(shí)際上雌澄，HotSpot也的確沒(méi)有為每條指令都生成OopMap斋泄，前面已經(jīng)提到，只是在“特定的位置”記錄了這些信息镐牺，這些位置稱為安全點(diǎn)（Safepoint）炫掐，即程序執(zhí)行時(shí)并非在所有地方都能停頓下來(lái)開(kāi)始GC，只有在到達(dá)安全點(diǎn)時(shí)才能暫停睬涧。

在GC發(fā)生時(shí)讓所有線程（這里不包括執(zhí)行JNI調(diào)用的線程）都“跑”到最近的安全點(diǎn)上再停頓下來(lái)募胃，有兩種方法：搶先式中斷和主動(dòng)式中斷

• 搶先式中斷
  • 不需要線程的執(zhí)行代碼主動(dòng)去配合，在GC發(fā)生時(shí)宙地，首先把所有線程全部中斷摔认，如果發(fā)現(xiàn)有線程中斷的地方不在安全點(diǎn)上，就恢復(fù)線程宅粥，讓它“跑”到安全點(diǎn)上参袱。 現(xiàn)在幾乎沒(méi)有虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)采用搶先式中斷來(lái)暫停線程從而響應(yīng)GC事件。
• 主動(dòng)式中斷
  • 當(dāng)GC需要中斷線程的時(shí)候秽梅，不直接對(duì)線程操作抹蚀，僅僅簡(jiǎn)單地設(shè)置一個(gè)標(biāo)志，各個(gè)線程執(zhí)行時(shí)主動(dòng)去輪詢這個(gè)標(biāo)志企垦，發(fā)現(xiàn)中斷標(biāo)志為真時(shí)就自己中斷掛起环壤。輪詢標(biāo)志的地方和安全點(diǎn)是重合的，另外再加上創(chuàng)建對(duì)象需要分配內(nèi)存的地方钞诡。
• 兩者的區(qū)別在于郑现，搶先式中斷是無(wú)論如何都進(jìn)行中斷，而主動(dòng)式中斷則是線程執(zhí)行輪詢標(biāo)志查看是否中斷

安全區(qū)域

使用Safepoint似乎已經(jīng)完美地解決了如何進(jìn)入GC的問(wèn)題荧降，但實(shí)際情況卻并不一定接箫。Safepoint機(jī)制保證了程序執(zhí)行時(shí)，在不太長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)就會(huì)遇到可進(jìn)入GC的Safepoint朵诫。 但是辛友，程序“不執(zhí)行”的時(shí)候呢？所謂的程序不執(zhí)行就是沒(méi)有分配CPU時(shí)間剪返，典型的例子就是線程處于Sleep狀態(tài)或者Blocked狀態(tài)废累，這時(shí)候線程無(wú)法響應(yīng)JVM的中斷請(qǐng)求，“走”到安全的地方去中斷掛起脱盲，JVM也顯然不太可能等待線程重新被分配CPU時(shí)間邑滨。 對(duì)于這種情況，就需要安全區(qū)域（Safe Region）來(lái)解決宾毒。

安全區(qū)域是指在一段代碼片段之中驼修，引用關(guān)系不會(huì)發(fā)生變化殿遂。 在這個(gè)區(qū)域中的任意地方開(kāi)始GC都是安全的诈铛。

在線程執(zhí)行到Safe Region中的代碼時(shí)乙各，首先標(biāo)識(shí)自己已經(jīng)進(jìn)入了Safe Region，那樣幢竹，當(dāng)在這段時(shí)間里JVM要發(fā)起GC時(shí)耳峦，就不用管標(biāo)識(shí)自己為Safe Region狀態(tài)的線程了。 在線程要離開(kāi)Safe Region時(shí)焕毫，它要檢查系統(tǒng)是否已經(jīng)完成了根節(jié)點(diǎn)枚舉（或者是整個(gè)GC過(guò)程）蹲坷，如果完成了，那線程就繼續(xù)執(zhí)行邑飒，否則它就必須等待直到收到可以安全離開(kāi)Safe Region的信號(hào)為止循签。

垃圾收集器

HotSpot虛擬機(jī)包含的垃圾收集器包括：Serial收集器、ParNew收集器疙咸、Parallel Scavenge收集器县匠、Serial Old收集器、Parallel Old收集器撒轮、CMS收集器乞旦、G1收集器

圖9 HotSpot虛擬機(jī)所包含的所有垃圾收集器

Serial收集器

是一個(gè)單線程的收集器，但它的“單線程”的意義并不僅僅說(shuō)明它只會(huì)使用一個(gè)CPU或一條收集線程去完成垃圾收集工作题山，更重要的是在它進(jìn)行垃圾收集時(shí)兰粉，必須暫停其他所有的工作線程，直到它收集結(jié)束顶瞳。

它依然是虛擬機(jī)運(yùn)行在Client模式下的默認(rèn)新生代收集器

圖10 Serial/Serial Old收集器運(yùn)行示意圖

ParNew收集器

• ParNew收集器其實(shí)就是Serial收集器的多線程版本
• 是許多運(yùn)行在Server模式下的虛擬機(jī)中首選的新生代收集器
• 除了Serial收集器外玖姑，目前只有它能與CMS收集器配合工作。
• 并發(fā)和并行
  • 并行（Parallel）：指多條垃圾收集線程并行工作慨菱，但此時(shí)用戶線程仍然處于等待狀態(tài)焰络。
  • 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）抡柿，用戶程序在繼續(xù)運(yùn)行舔琅，而垃圾收集程序運(yùn)行于另一個(gè)CPU上。

圖11 ParNew/Serial Old收集器運(yùn)行示意圖

Parallel Scavenge收集器

Parallel Scavenge收集器的目標(biāo)則是達(dá)到一個(gè)可控制的吞吐量（Throughput）洲劣。

• 吞吐量就是CPU用于運(yùn)行用戶代碼的時(shí)間與CPU總消耗時(shí)間的比值备蚓，即吞吐量=運(yùn)行用戶代碼時(shí)間/（運(yùn)行用戶代碼時(shí)間+垃圾收集時(shí)間），虛擬機(jī)總共運(yùn)行了100分鐘囱稽，其中垃圾收集花掉1分鐘郊尝，那吞吐量就是99%。

Parallel Scavenge收集器提供了兩個(gè)參數(shù)用于精確控制吞吐量

• 控制最大垃圾收集停頓時(shí)間的-XX：MaxGCPauseMillis參數(shù)
• 直接設(shè)置吞吐量大小的-XX：GCTimeRatio參數(shù)

Serial Old收集器

Serial Old是Serial收集器的老年代版本战惊，它同樣是一個(gè)單線程收集器流昏，使用“標(biāo)記-整理”算法。（可查看圖10）

Parallel Old收集器

Parallel Old是Parallel Scavenge收集器的老年代版本，使用多線程和“標(biāo)記-整理”算法况凉。

圖11 Parallel Scavenge/Parallel Old收集器運(yùn)行示意圖

CMS收集器

是一種以獲取最短回收停頓時(shí)間為目標(biāo)的收集器谚鄙。

CMS收集器是基于“標(biāo)記—清除”算法實(shí)現(xiàn)的，分為四個(gè)步驟

• 初始標(biāo)記（CMS initial mark）

  • 仍然需要“Stop The World”刁绒。
  • 僅僅只是標(biāo)記一下GC Roots能直接關(guān)聯(lián)到的對(duì)象闷营，速度很快（第一層節(jié)點(diǎn)）

• 并發(fā)標(biāo)記（CMS concurrent mark）

  • 進(jìn)行GC RootsTracing的過(guò)程

• 重新標(biāo)記（CMS remark）

  • 仍然需要“Stop The World”。
  • 為了修正并發(fā)標(biāo)記期間因用戶程序繼續(xù)運(yùn)作而導(dǎo)致標(biāo)記產(chǎn)生變動(dòng)的那一部分對(duì)象的標(biāo)記記錄知市，這個(gè)階段的停頓時(shí)間一般會(huì)比初始標(biāo)記階段稍長(zhǎng)一些傻盟，但遠(yuǎn)比并發(fā)標(biāo)記的時(shí)間短。

• 并發(fā)清除（CMS concurrent sweep）

• 缺點(diǎn)

  • CMS收集器對(duì)CPU資源非常敏感嫂丙。
  • CMS收集器無(wú)法處理浮動(dòng)垃圾（Floating Garbage）
    • 由于CMS并發(fā)清理階段用戶線程還在運(yùn)行著娘赴，伴隨程序運(yùn)行自然就還會(huì)有新的垃圾不斷產(chǎn)生，這一部分垃圾出現(xiàn)在標(biāo)記過(guò)程之后跟啤，CMS無(wú)法在當(dāng)次收集中處理掉它們诽表，只好留待下一次GC時(shí)再清理掉。 這一部分垃圾就稱為“浮動(dòng)垃圾”腥光。
  • 收集結(jié)束時(shí)會(huì)有大量空間碎片產(chǎn)生关顷。
    • 空間碎片過(guò)多時(shí)，將會(huì)給大對(duì)象分配帶來(lái)很大麻煩武福，往往會(huì)出現(xiàn)老年代還有很大空間剩余议双，但是無(wú)法找到足夠大的連續(xù)空間來(lái)分配當(dāng)前對(duì)象，不得不提前觸發(fā)一次FullGC捉片。

圖12 Concurrent Mark Sweep收集器運(yùn)行示意圖

G1收集器

是一款面向服務(wù)端應(yīng)用的垃圾收集器平痰。

• 特點(diǎn)
  • 并行與并發(fā)
    • G1能充分利用多CPU、 多核環(huán)境下的硬件優(yōu)勢(shì)伍纫，使用多個(gè)CPU（CPU或者CPU核心）來(lái)縮短Stop-The-World停頓的時(shí)間宗雇，部分其他收集器原本需要停頓Java線程執(zhí)行的GC動(dòng)作，G1收集器仍然可以通過(guò)并發(fā)的方式讓Java程序繼續(xù)執(zhí)行莹规。
  • 分代收集
    • 與其他收集器一樣赔蒲，分代概念在G1中依然得以保留。 雖然G1可以不需要其他收集器配合就能獨(dú)立管理整個(gè)GC堆良漱，但它能夠采用不同的方式去處理新創(chuàng)建的對(duì)象和已經(jīng)存活了一段時(shí)間舞虱、 熬過(guò)多次GC的舊對(duì)象以獲取更好的收集效果。
  • 空間整合
    • 與CMS的“標(biāo)記—清理”算法不同母市，G1從整體來(lái)看是基于“標(biāo)記—整理”算法實(shí)現(xiàn)的收集器矾兜，從局部（兩個(gè)Region之間）上來(lái)看是基于“復(fù)制”算法實(shí)現(xiàn)的，但無(wú)論如何患久，這兩種算法都意味著G1運(yùn)作期間不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)存空間碎片椅寺，收集后能提供規(guī)整的可用內(nèi)存浑槽。 這種特性有利于程序長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，分配大對(duì)象時(shí)不會(huì)因?yàn)闊o(wú)法找到連續(xù)內(nèi)存空間而提前觸發(fā)下一次GC返帕。
  • 可預(yù)測(cè)的停頓
    • 這是G1相對(duì)于CMS的另一大優(yōu)勢(shì)桐玻，降低停頓時(shí)間是G1和CMS共同的關(guān)注點(diǎn)，但G1除了追求低停頓外溉旋，還能建立可預(yù)測(cè)的停頓時(shí)間模型畸冲，能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)嫉髓，消耗在垃圾收集上的時(shí)間不得超過(guò)N毫秒观腊，這幾乎已經(jīng)是實(shí)時(shí)Java（RTSJ）的垃圾收集器的特征了

使用G1收集器時(shí)，Java堆的內(nèi)存布局就與其他收集器有很大差別算行，它將整個(gè)Java堆劃分為多個(gè)大小相等的獨(dú)立區(qū)域（Region）梧油，雖然還保留有新生代和老年代的概念，但新生代和老年代不再是物理隔離的了州邢，它們都是一部分Region（不需要連續(xù)）的集合儡陨。

G1收集器之所以能建立可預(yù)測(cè)的停頓時(shí)間模型，是因?yàn)樗梢杂杏?jì)劃地避免在整個(gè)Java堆中進(jìn)行全區(qū)域的垃圾收集量淌。 G1跟蹤各個(gè)Region里面的垃圾堆積的價(jià)值大衅濉（回收所獲得的空間大小以及回收所需時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)值），在后臺(tái)維護(hù)一個(gè)優(yōu)先列表呀枢，每次根據(jù)允許的收集時(shí)間胚股，優(yōu)先回收價(jià)值最大的Region（這也就是Garbage-First名稱的來(lái)由）。 這種使用Region劃分內(nèi)存空間以及有優(yōu)先級(jí)的區(qū)域回收方式裙秋，保證了G1收集器在有限的時(shí)間內(nèi)可以獲取盡可能高的收集效率琅拌。

在G1收集器中，Region之間的對(duì)象引用以及其他收集器中的新生代與老年代之間的對(duì)象引用摘刑，虛擬機(jī)都是使用Remembered Set來(lái)避免全堆掃描的进宝。 G1中每個(gè)Region都有一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的Remembered Set，虛擬機(jī)發(fā)現(xiàn)程序在對(duì)Reference類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)枷恕，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)Write Barrier暫時(shí)中斷寫(xiě)操作党晋，檢查Reference引用的對(duì)象是否處于不同的Region之中（在分代的例子中就是檢查是否老年代中的對(duì)象引用了新生代中的對(duì)象），如果是徐块，便通過(guò)CardTable把相關(guān)引用信息記錄到被引用對(duì)象所屬的Region的Remembered Set之中未玻。 當(dāng)進(jìn)行內(nèi)存回收時(shí)，在GC根節(jié)點(diǎn)的枚舉范圍中加入Remembered Set即可保證不對(duì)全堆掃描也不會(huì)有遺漏蛹锰。

如果不計(jì)算維護(hù)Remembered Set的操作深胳，G1收集器的運(yùn)作大致可劃分為以下幾個(gè)步驟：

• 初始標(biāo)記（Initial Marking）
  • 僅僅只是標(biāo)記一下GC Roots能直接關(guān)聯(lián)到的對(duì)象，并且修改TAMS（Next Top at Mark Start）的值铜犬，讓下一階段用戶程序并發(fā)運(yùn)行時(shí)舞终，能在正確可用的Region中創(chuàng)建新對(duì)象轻庆，這階段需要停頓線程，但耗時(shí)很短敛劝。
• 并發(fā)標(biāo)記（Concurrent Marking）
  • 從GC Root開(kāi)始對(duì)堆中對(duì)象進(jìn)行可達(dá)性分析余爆，找出存活的對(duì)象，這階段耗時(shí)較長(zhǎng)夸盟，但可與用戶程序并發(fā)執(zhí)行蛾方。
• 最終標(biāo)記（Final Marking）
  • 為了修正在并發(fā)標(biāo)記期間因用戶程序繼續(xù)運(yùn)作而導(dǎo)致標(biāo)記產(chǎn)生變動(dòng)的那一部分標(biāo)記記錄，虛擬機(jī)將這段時(shí)間對(duì)象變化記錄在線Remembered Set Logs里面上陕，最終標(biāo)記階段需要把Remembered Set Logs的數(shù)據(jù)合并到Remembered Set中桩砰，這階段需要停頓線程，但是可并行執(zhí)行释簿。
• 篩選回收（Live Data Counting and Evacuation）
  • 首先對(duì)各個(gè)Region的回收價(jià)值和成本進(jìn)行排序亚隅，根據(jù)用戶所期望的GC停頓時(shí)間來(lái)制定回收計(jì)劃

圖12 G1收集器運(yùn)行示意圖

內(nèi)存分配與回收策略

對(duì)象主要分配在新生代的Eden區(qū)上，如果啟動(dòng)了本地線程分配緩沖庶溶，將按線程優(yōu)先在TLAB上分配煮纵。（預(yù)先在TLAB上為每個(gè)線程分配一定大小的內(nèi)存），少數(shù)情況下也可能會(huì)直接分配在老年代中

• 對(duì)象優(yōu)先在Eden分配

  • 當(dāng)Eden區(qū)沒(méi)有足夠空間進(jìn)行分配時(shí)偏螺，虛擬機(jī)將發(fā)起一次Minor GC行疏。
    • 新生代GC（Minor GC）：指發(fā)生在新生代的垃圾收集動(dòng)作，因?yàn)镴ava對(duì)象大多都具備朝生夕滅的特性套像，所以Minor GC非常頻繁酿联，一般回收速度也比較快。
    • 老年代GC（Major GC/Full GC）：指發(fā)生在老年代的GC凉夯，出現(xiàn)了Major GC货葬，經(jīng)常會(huì)伴隨至少一次的Minor GC（但非絕對(duì)的，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(guò)程）劲够。 Major GC的速度一般會(huì)比Minor GC慢10倍以上震桶。

• 大對(duì)象直接進(jìn)入老年代
  所謂的大對(duì)象是指，需要大量連續(xù)內(nèi)存空間的Java對(duì)象征绎，最典型的大對(duì)象就是那種很長(zhǎng)的字符串以及數(shù)組

• 長(zhǎng)期存活的對(duì)象將進(jìn)入老年代
  虛擬機(jī)給每個(gè)對(duì)象定義了一個(gè)對(duì)象年齡（Age）計(jì)數(shù)器蹲姐。 如果對(duì)象在Eden出生并經(jīng)過(guò)第一次Minor GC后仍然存活，并且能被Survivor容納的話人柿，將被移動(dòng)到Survivor空間中柴墩，并且對(duì)象年齡設(shè)為1。 對(duì)象在Survivor區(qū)中每“熬過(guò)”一次Minor GC凫岖，年齡就增加1歲江咳，當(dāng)它的年齡增加到一定程度（默認(rèn)為15歲），就將會(huì)被晉升到老年代中哥放。

動(dòng)態(tài)對(duì)象年齡判定

如果在Survivor空間中相同年齡所有對(duì)象大小的總和大于Survivor空間的一半歼指，年齡大于或等于該年齡的對(duì)象就可以直接進(jìn)入老年代

空間分配擔(dān)保

只要老年代的連續(xù)空間大于新生代對(duì)象總大小或者歷次晉升的平均大小就會(huì)進(jìn)行Minor GC爹土，否則將進(jìn)行Full GC。

問(wèn)題

• 為什么程序要跑到安全點(diǎn)時(shí)停下來(lái)踩身？
  • 不設(shè)置安全點(diǎn)胀茵，而讓每一條指令都產(chǎn)生Oop(Ordinary Object Pointer)會(huì)需要大量的額外空間，增大GC的空間成本挟阻。設(shè)置了合適的安全點(diǎn)琼娘，有助于虛擬機(jī)得知對(duì)象引用所在的地方，因此有利于GC對(duì)“即將回收”的對(duì)象進(jìn)行掃描附鸽。