垃圾回收.GC

1.垃圾判斷算法

1.1 引用計數(shù)算法

給對象添加一個引用計數(shù)器，當(dāng)有一個地方引用它，計數(shù)器加1呻待，當(dāng)引用失效笛粘，計數(shù)器減1趁怔，任何時刻計數(shù)器為0的對象就是不可能再被使用的。
引用計數(shù)器無法解決對象循環(huán)引用的問題（A引用B薪前，B引用A）

1.2 根搜索算法

通過一系列的成為GC Roots的點作為起始進行向下搜索润努，當(dāng)一個對象到GCRoots沒有任何引用鏈相連，則此對象時不可用的示括。

1.2.1 GC Roots

在vm棧中的引用
方法區(qū)的靜態(tài)引用
jni（netive方法）中的引用

1.2.2 方法區(qū)的回收

商業(yè)化的虛擬機一般都會實現(xiàn)方法區(qū)的回收

回收內(nèi)容：

廢棄常量
無用類

回收滿足條件：

該類的實例都被回收
加載該類的類加載器被GC
該類的Class對象沒有在任何地方被引用铺浇，如不能在任何地方通過反射訪問到該類。

2.GC算法

2.1 標(biāo)記-清除算法(MS)

分為標(biāo)記和清除兩個階段垛膝，首先標(biāo)記所有需要回收的對象鳍侣，然后回收所有需要回收的對象。
缺點：

效率較低標(biāo)記和清除的效率都比較低吼拥。需要掃描所有對象倚聚，堆越大越慢。
空間問題：回收后出現(xiàn)不連續(xù)空間扔罪，后續(xù)使用無法找到連續(xù)空間易造成再次回收秉沼。

2.2 標(biāo)記-整理算法(MC)

原理：標(biāo)記過程一樣，但后續(xù)步驟不是清除，而是令所有存活對象一端移動唬复，然后直接清理掉這端邊界以外的內(nèi)存矗积。
缺點：沒有內(nèi)存碎片，但移動(壓縮)對象更加耗費時間敞咧，

2.3 復(fù)制算法(Copying)

原理*

將可用內(nèi)存劃分為兩塊棘捣，每次只使用一塊，當(dāng)半塊內(nèi)存用完了休建，僅將還存活的對象復(fù)制到另外一塊上面乍恐，原有的一塊直接清除。
每次回收都是回收一半內(nèi)存测砂，也不用考慮內(nèi)存碎片問題茵烈。當(dāng)需要堆中內(nèi)存時，只需要移動堆指針砌些，按順序分配內(nèi)存呜投。
特點
這種算法是內(nèi)存會變?yōu)樵瓉硪话耄容^昂貴存璃。
在對象存活率較高的時候仑荐，效率有所下降。
hotspot虛擬機默認eden和survivor的比例為8:1纵东，也就是每次有10%的空閑空間

2.4 分代算法(GN)

原理

當(dāng)前都是采用分代收集粘招，根據(jù)對象的不同的存活周期將內(nèi)存劃分為幾塊。
一般把堆內(nèi)存劃分為新生代和老年代偎球，這樣根據(jù)各個年代的不同特點采用不同的算法洒扎。
新生代每次cg都有大量對象死去，所以使用復(fù)制算法甜橱，只需復(fù)制少量存活的對象逊笆。
對于新生代栈戳，現(xiàn)代虛擬機使用這種算法：
過程：eden執(zhí)行復(fù)制算法岂傲，eden區(qū)滿后會gc,還存活的對象復(fù)制到s1 survivor，當(dāng)eden又滿時子檀，eden和s1 survivor中存活的對象將被復(fù)制到s2 survivor镊掖。如此循環(huán)。
如果對象的復(fù)制次數(shù)達到16次(默認)褂痰，該對象就會被送到老年代中亩进。
但是也不是固定的閾值，如果達到某個年齡發(fā)現(xiàn)總大小已經(jīng)大于survivor的50%,所以要動態(tài)調(diào)整閾值(否則會導(dǎo)致survivor空間不足)缩歪，讓這些存活的對象盡快晉升归薛。
TargetSurvivorRatio=60 ,值為一個百分比，當(dāng)對象占據(jù)survivor60時則調(diào)整閾值。
UseConcMarkSweepGC,老年代使用cms算法主籍。
UseParNewGC,新生代使用UseParNewGC算法习贫。
老年代：存放了經(jīng)過一次或多次GC還存活的對象
一般采用Mark-Sweep或者Mark-Compact算法
有多重垃圾回收器可以選擇，每種垃圾回收器可以看做一種GC算法的具體實現(xiàn)千元。根據(jù)具體需求選擇合適的垃圾回收器苫昌。
永久代：
并不屬于堆，但GC也會涉及這個地方幸海。
存放了每個Class的結(jié)構(gòu)信息祟身，包括常量池，字段描述物独，方法描述袜硫。與垃圾回收器要收集的java對象關(guān)系不大。

tops:引用類型

Hostpot將引用分為四種：

strong：strong為new 出來的
soft:內(nèi)存不夠時一定會被GC,長期不被引用也會被GC挡篓。
weak:一定會被GC,當(dāng)被標(biāo)記為dead時父款，會在ReferenceQueue中通知。
phantom:本來就沒引用瞻凤，當(dāng)從堆中釋放是會通知憨攒。

GC的時機

Scavenge GC:
觸發(fā)時機：新對象生成，Eden滿了阀参。
理論上Eden區(qū)大多數(shù)對象會在Scavenge GC回收肝集，復(fù)制算法效率高，Scavenge GC時間短蛛壳。
Full GC：
對整個jvm整理杏瞻，包括Young,Old 和 Perm
觸發(fā)時機：1 Old滿了，2 Perm 3.主動system.gc()衙荐。
效率很低捞挥，盡量減少Full GC。

3.垃圾回收器的實現(xiàn)和選擇

3.1 什么是垃圾回收器

分代模型：GC的愿景
垃圾回收器：GC的具體實現(xiàn)
hotspot提供多種垃圾回收器忧吟，我們要根據(jù)具體應(yīng)用的需要采用不同的回收器砌函。
沒有萬能的垃圾回收器，每一種垃圾回收器都有自己使用的場景溜族。

3.2 垃圾回收器的并行和并發(fā)

并行：指多個收集器的線程同時工作讹俊，但是用戶線程處于等待狀態(tài)。
并發(fā)：指收集器在工作的同時煌抒，可以允許用戶線程工作仍劈。
并發(fā)并不代表解決的gc停頓的問題，該停頓的步驟還是要停頓寡壮，比如標(biāo)記垃圾時贩疙。但清除垃圾時可以并發(fā)執(zhí)行讹弯。

3.3 垃圾回收器

1.Serial收集器

單線程收集器，收集時會暫停所有的工作線程这溅，使用復(fù)制收集算法闸婴，虛擬機運行在clent模式下默認新生代收集器。
在老年代采用標(biāo)記整理算法芍躏。
可以添加jvm參數(shù)UseSerialGC配合PretenureSizeThreshold參數(shù)改變閾值邪乍，使得超過某大小的對象直接在老年代創(chuàng)建。

2.Serial old收集器

單線程对竣，使用標(biāo)記整理算法庇楞，老年代收集器。

3.parnew收集器

Serial的多線程版本否纬，除了多個收集線程外吕晌，其余行為包括算法，stw临燃，對象分配規(guī)則睛驳。回收策略等都與Serial收集器一樣膜廊。單cpu核心場景下乏沸，此收集器不會比Serial更好。

4.parallel scavenge收集器

是一個多線程收集器爪瓜，復(fù)制算法蹬跃。但他是以吞吐量最大（gc時間占總運行時間最小）為目標(biāo)的收集器铆铆。
Parallel Scavenge（-XX:+UseParallelGC）框架下蝶缀，默認是在要觸發(fā)full GC前先執(zhí)行一次young GC，并且兩次GC之間能讓應(yīng)用程序稍微運行一小下薄货，以期降低full GC的暫停時間（因為young GC會盡量清理了young gen的死對象翁都，減少了full GC的工作量）×禄控制這個行為的VM參數(shù)是-XX:+ScavengeBeforeFullGC柄慰。這是HotSpot VM里的奇葩。

5.parallel Old

老年代版本吞吐量收集器赊瞬，多線程先煎，標(biāo)記整理算法。
MaxTenuringThreshold=5 進入到老年代的最大存活年齡
+PrintTenuringDistribution

6.cms

標(biāo)記清除算法 Concurrent Mark Sweep
cms是一種以最短停頓時間為目標(biāo)的收集器巧涧，使用cms并不能達到gc效率最高，但他能盡可能的降低gc時服務(wù)的停頓時間遥倦。

步驟：

初始標(biāo)記：標(biāo)記gcroots關(guān)聯(lián)的引用谤绳，快速占锯，暫停用戶線程。
并發(fā)標(biāo)記：gcroots關(guān)聯(lián)的引用往下接著標(biāo)記缩筛，不影響用戶線程消略。
并發(fā)預(yù)先清理：
并發(fā)可能失敗預(yù)清理：
重新標(biāo)記：修正并發(fā)標(biāo)記時變動的引用，較快速瞎抛，暫停用戶線程艺演。
并發(fā)清除：清除垃圾，不影響用戶線程桐臊。
并發(fā)重置：線程重置

缺點：
1. 依賴cpu資源胎撤，處理時間短，但處理次數(shù)多断凶。
2. 無法處理浮動垃圾伤提，有時虛擬機會使用備案，使用Serial Old收集器來重新進行老年代的垃圾回收认烁。
3. 空間碎片問題肿男，
空間分配擔(dān)保：
在minor gc之前，虛擬機會檢查老年代最大可用連續(xù)空間是否大于新生代所有對象總空間却嗡。當(dāng)條件成立舶沛，在minorgc之后大量對象如果還會存活，則需要老年代進行空間分配擔(dān)保窗价，把survivor無法容納的對象直接進入老年代冠王。如果老年代判斷剩余空間不足(根據(jù)每一次回收晉升到老年代對象容量的平局值作為經(jīng)驗)，則進行full gc舌镶。

4. 內(nèi)存泄漏及原因

對象定義在錯誤的范圍
異常處理不當(dāng)
集合數(shù)據(jù)管理不當(dāng)

5. 安全點理論

枚舉根節(jié)點：知道所有的根節(jié)點
hotspot使用一組成為OopMap的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來達到這個目的柱彻。
安全點：

hotspot并沒有為每條指令都生成OopMap，而只是在特定位置記錄了這些信息餐胀，這些位置稱為安全點哟楷，即程序執(zhí)行時并非在所有地方都能停下來gc,而是在安全點才能gc.
安全點的選定不能太少也不能太多，選定安全點的標(biāo)準是：“是否具有讓程序長時間執(zhí)行的特征”否灾，例如方法調(diào)用卖擅，循環(huán)跳轉(zhuǎn)，異常跳轉(zhuǎn)墨技。
對于safepoint,另一個需要考慮的是如何在gc時惩阶，讓所有的線程都跑跑到最近的安全點停下來。
搶占式中斷：gc時先中斷扣汪，若有線程沒在安全點断楷，則恢復(fù)線程跑到安全點上。(此方式已被淘汰)
主動式中斷：如果要gc,虛擬機設(shè)置一個標(biāo)志崭别，各個線程輪詢這個標(biāo)志冬筒，發(fā)現(xiàn)標(biāo)志為真時就中斷掛起恐锣。輪詢的地方和安全點是重合的，另外在加上創(chuàng)建對象需要分配內(nèi)存的地方舞痰。

安全區(qū)域：

安全點也有解決不了的情況土榴，當(dāng)線程休眠，沒有給線程分配cpu時間响牛，線程無法響應(yīng)jvm中斷請求玷禽，jvm也不太可能等待休眠結(jié)束。此時需要安全區(qū)域解決問題呀打。
線程執(zhí)行到安全區(qū)域矢赁，首先標(biāo)識自己進入了安全區(qū)域，jvm在gc時不用管在安全區(qū)域的線程聚磺。當(dāng)線程要離開安全區(qū)域是坯台，要檢查jvm是否完成了根節(jié)點枚舉或整個gc,如果完成則繼續(xù)執(zhí)行，否則等待gc完成瘫寝。

6. G1垃圾回收器

G1垃圾回收器是一種兼顧吞吐量和響應(yīng)時間的垃圾回收器
G1回收器的堆結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)的堆結(jié)構(gòu)有很大不同蜒蕾，傳統(tǒng)堆結(jié)構(gòu)各區(qū)域是大塊分開，G1回收器堆內(nèi)存的物理結(jié)構(gòu)是無序的焕阿，堆空間eden,survivor,old區(qū)域是交織在一起的咪啡，并且區(qū)域的分類是會變化的。

6.1 G1收集器的內(nèi)存結(jié)構(gòu)

將堆劃分為大小相等的區(qū)域(regions),每個regions都有一個分代的角色暮屡。
對每個角色的數(shù)量并沒有強制限定撤摸，也就是說對每種分代內(nèi)存的總大小，可以動態(tài)變化褒纲。
G1可以高效執(zhí)行回收准夷，優(yōu)先執(zhí)行那些大量對象可回收的區(qū)域。
使用個停頓可預(yù)測模型莺掠，根據(jù)用戶設(shè)定的停頓時間,g1會選擇哪些region要清除衫嵌，一次清除多少個。
g1從多個region中回收彻秆，放入一個regin中(復(fù)制算法)楔绞。
因為會根據(jù)用戶設(shè)定的停頓時長gc，每次只收集少數(shù)的region唇兑，做到了間隔時間少酒朵，且使用copy算法，內(nèi)存碎片少扎附。

6.2 幾個概念

分區(qū)：將整個堆分為大小相同的分區(qū)

原有的eden,survivor,old屬于不同的塊
eden,survivor,old只是一種邏輯概念蔫耽。
優(yōu)先回收垃圾最多區(qū)域(region)

收集集合(cset)：一組可被回收的分區(qū)的集合

存活的數(shù)據(jù)會被移動到另一個空閑分區(qū)
cset中的分區(qū)可以來自eden,survivor,old。

已記憶集合(rset):rset記錄了其他region中對象引用本region中對象的關(guān)系帕棉。

gc時不必掃描整個堆针肥，而是掃描rset即可饼记。即為減少掃描
因為eden區(qū)gc時要全部掃描香伴，所以只需記錄老年代到新生代的引用即可慰枕。

rset的兩個作用
RSet究竟是怎么輔助GC的呢？在做YGC的時候即纲，只需要選定young generation region的RSet作為根集具帮，這些RSet記錄了old->young的跨代引用，避免了掃描整個old generation低斋。而mixed gc的時候蜂厅，old generation中記錄了old->old的RSet，young->old的引用由掃描全部young generation region得到膊畴，這樣也不用掃描全部old generation region掘猿。所以RSet的引入大大減少了GC的工作量。

標(biāo)記出RootRegion指向O區(qū)的region唇跨，標(biāo)記這些region是為了降低并發(fā)標(biāo)記的掃描范圍稠通，因為并發(fā)標(biāo)記需要掃描GCROOT引用或間接的所有對象，而這些對象一定是在RootRegion出發(fā)指向的Region中的买猖。MIXGC中Y區(qū)本來就要全掃改橘，所以這里再按照O區(qū)過濾下，這樣就縮小了掃描范圍玉控。該階段的操作為遍歷O區(qū)region查詢Rset是否有來自RootRegion的飞主，（RootRegion是初始標(biāo)記得到的）。

STAB:

在并發(fā)標(biāo)記階段對快照標(biāo)記
stab是g1 gc在并發(fā)標(biāo)記階段使用的增量式的標(biāo)記算法高诺。
并發(fā)標(biāo)記時并發(fā)多線程的碌识，但并發(fā)線程在同一時刻只掃描一個區(qū)。

拓展
card page：
通常將堆空間劃分為一系列2次冪大小的卡頁.
card table:
一card張表虱而，將region劃分為小區(qū)域在這張表上筏餐。
points-out：
指明我引用誰
points-into：
誰引用我

6.3 gc模式

YongGC：選定所有年輕代的region，通過控制年輕代region薛窥，來控制gc的時間

觸發(fā)時機：eden區(qū)滿了時
gc步驟：
1. 根掃描：靜態(tài)和棧引用
2. 更新rs:處理dirty card隊列更新rs
3. 處理rs:檢測從年輕代指向老年代的對象
4. 對象拷貝：拷貝存活對象
5. 處理引用隊列：軟弱虛引用處理

MixedGC:選定所有年輕代regin,外加根據(jù)global concurrent marking 統(tǒng)計出的若干高收益的老年代region胖烛，在用戶指定的stw時間內(nèi)盡可能的選擇收益高的region。

觸發(fā)時機：由一些參數(shù)控制诅迷，另外也控制著那些老年代regin會被選入cset

global concurrent marking：全局并發(fā)標(biāo)記
執(zhí)行過程類似于cms,但主要為MixedGC提供標(biāo)記服務(wù)佩番，并不是gc中的必須環(huán)節(jié)。
步驟：

初始標(biāo)記：標(biāo)記了從GCroot開始可以直接可達的對象罢杉。(在YongGC中進行趟畏，伴隨著YongGC)
并發(fā)標(biāo)記：GCroot對heap中的對象進行標(biāo)記，標(biāo)記線程與用戶線程并發(fā)進行滩租，收集region的存活對象信息
重新標(biāo)記：標(biāo)記在并發(fā)階段變化的對象
清理：清空沒有存活對象的region,將region加入到free list.

三色標(biāo)記法：STAB中的算法
對象分為三種類型

黑色：根對象赋秀，或者該對象與他的子對象都被掃描過了(對象被標(biāo)記了利朵，且他的所有fieldd都被標(biāo)記完了)
灰色：對象本身被掃描，但還沒掃描完該對象中的子對象(field還沒有被標(biāo)記)
白色：未被掃描對象猎莲，掃描完成所有對象后最終為白色的為不可達對象绍弟，即垃圾對象。(對象沒有被標(biāo)記到)

satb步驟

開始標(biāo)記時生成快照圖
在并發(fā)標(biāo)記階段所有被改變的對象入隊（若在此階段改變引用著洼，將原有引用指向的對象變?yōu)榉前祝┱燎玻饕欠乐够厥辗抢鴮ο蟆?br> 在并發(fā)標(biāo)記階段可能產(chǎn)生漏標(biāo)記，所以對于gray灰對象一處的引用標(biāo)記為灰色身笤，對于black引用新增加的引用標(biāo)記為黑色豹悬。
可能存在浮動垃圾，將在下次護手

漏標(biāo)記情況舉例
漏標(biāo)只會發(fā)生在白色對象中液荸，需滿足以下兩個條件瞻佛。

并發(fā)標(biāo)記時，應(yīng)用線程給一個黑色對象的引用賦值了白色對象
并發(fā)標(biāo)記時娇钱，應(yīng)用線程刪除所有灰色對象到該白色對象的引用

掃描全部的老年代對象伤柄，是因為ygc的時候澈缺，老年代的對象全都被看做gcroots了涉波，需要在年輕代找被老年代任何對象引用的對象颠区，這些對象都不應(yīng)被清理嗡官。所以必須掃描所有老年代蹲盘，進行你說的鏈式查找的過程饮寞。而如果有了rset就知道有些old區(qū)region中根本沒有對年輕代對象的引用剖毯，直接就可以跳過這個region了旺坠。

[參考]
深入理解JVM 虛擬機
 垃圾收集器|g1收集器

jvm垃圾回收