Java垃圾回收机制

概述

垃圾回收机制是Java语言一个非常重要的特性。通过该机制程序员不用手动去管理内存，大大提高了开发效率，也可以有效避免人为的疏忽造成内存泄露。通过对Java内存模型的了解，我们知道Java的对象实例基本都存储在Java堆中，由于很多对象只有在运行期才能确定是否需要创建，使得该区域的内存需要进行动态分配和回收，以提高内存的使用效率，所以垃圾收集器主要关注的就是该区域的内存。而程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈都是线程独占的，它们会跟随线程的创建而创建，线程的销毁而销毁，因此这几个区域的内存分配和回收都具备确定性，不需要过多的考虑内存回收问题。

垃圾回收算法

标记算法

1. 引用计数算法
该算法的实现是给对象添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器数值就加1；当引用失效时，计数器值就减1；当计数器数值为0时表示该对象不可再被使用，则可以对其进行回收。
优点： 实现简单，判定效率高。
缺点： 很难解决对象循环引用问题。

2. 可达性分析算法（根搜索算法）
该算法是从离散数学中的图论引入的，程序将所有引用关系看成是一张图，通过一系列称为“GC Roots”的对象作为起始点，从这些节点开始向下搜索，搜索走过的路径称为引用链（Reference Chain），当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连（用图论的话来讲，就是从GC Roots到这个对象不可达）时，则说明该对象是不可用的。
Java中可以作为GC Roots的对象

• 虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）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JNI（Native方法）引用的对象。
  

回收算法

1. 标记-清除算法
标记-清除算法分为标记和清除两个阶段，首先从根集合进行扫描，对存货的对象进行标记，然后对堆内存从头到尾进行线性遍历，回收不可达对象的内存。
缺点：

• 效率问题，标记和清除两个过程的效率都不高。
• 空间问题，内存碎片化严重。

2. 复制算法
复制算法的原理是将可用内存按容量划分为大小相等的两块（对象面和空闲面），每次只使用其中的一块，当这一块的内存用完了，就将还存活的对象复制到另一块上，然后再把已使用过的内存空间一次清理掉。
优点：

• 解决了内存碎片化问题。
• 按顺序分配内存，简单高效。
• 适用于对象存活率低的场景（如：新生代）。

缺点：

• 将内存缩小为原来的一半。
• 在对象存活率较高的场景下需要进行较多的复制操作，效率会变低。

3. 标记-整理算法
标记-整理算法的标记过程与标记-清除算法一致，先从根集合进行扫描，对存活的对象进行标记，但是后续步骤不是直接对可回收的对象进行清理，而是移动所有存活的对象，且按照内存地址次序依次排列，然后将末端内存地址以后的内存全部回收。
优点： 解决了内存碎片化问题，不用设置两块内存互换。
缺点： 比标记-清除算法增加了对象移动的过程，所以实现成本更高。适用于对象存活率高的场景（如：老年代）。

4. 分代收集算法
分代收集算法是根据对象的存活周期的不同，将内存划分为不同的区域，然后针对不同的区域采用不同的垃圾回收算法。一般是将Java堆分为新生代和老年代，新生代的对象存活率低，每次垃圾回收都会有大量对象需要被回收，所以该区域采用复制算法。而老年代的对象存活率高，该区域采用标记-清除算法或标记-整理算法。这样做的好处是可以提高JVM的回收效率，避免了只采用某一种算法的缺陷。当前商业虚拟机都是采用该种算法进行垃圾回收。

• Eden空间和Survivor空间的默认大小比例是8:1，可通过 -XX:SurvivorRatio 命令调整这个比例。
• 新生代和老年代默认内存大小的比例是1:2，可用过 -XX:NewRatio 命令调整这个比例。
• 对象如何晋升到老年代：
  • 经历一定Minor次数依然存活的对象，该次数可通过 -XX:MaxTenuringThreshold 命令调整，默认：15。
  • Survivor空间中存放不下的对象，会存储在老年代。
  • 新生成的大对象会存储在老年代中，可通过 -XX:+PretenuerSizeThreshold 命令调整。
• GC的分类：
  • Minor GC：从新生代回收内存。
  • Full GC：回收整个Java堆空间的内存，包括新生代和老年代。Full GC比Minor GC慢很多，大概有10倍的差距，但是Full GC执行的频率比较低。
  • Major GC：一般来说和Full GC是等价的，由于名词解读的混乱，当说Major GC时一定要问清楚是指Full GC还是仅指从老年代回收内存。
• 触发Full GC的条件：
  • 老年代空间不足
  • 永久代空间不足（JDK1.7之前）
  • CMS GC时出现promotion failed，concurrent mode failure时
  • Minor GC晋升到老年代的平均大小大于老年代的剩余空间
  • 调用System.gc()
  • 使用RMI来进行RPC或管理的JDK应用，没小时执行一次Full GC

几个概念

• Stop The World
  • JVM由于要执行GC而停止应用程序的执行。
  • 任何一种GC算法中都会发生。
  • 多数GC优化都是通过减少stop-the-world发生的时间来提高程序性能。
• 安全点（Safepoint）
  • 程序执行时并非在所有地方都能停下来开始GC，而是在到达安全点时才会暂停。
  • 在可达性分析过程中对象引用关系不会发生变化的点。
  • 产生安全点的地方：方法调用、循环跳转、异常跳转等。
  • 安全点数量得适中，太少会使GC等待时间太长，太多会增加运行时的负荷。

垃圾收集器

1. Serial收集器

• 单线程收集，进行垃圾收集时，必须暂停所有工作线程。
• 简单高效，Client模式下默认的新生代收集器。
• 采用复制算法。
• 使用 -XX:+UseSerialGC 命令可以切换使用该收集器。

2. ParNew收集器

• 多线程收集，其余的行为、特点和Seria收集器一样。
• 单核执行效率不如Serial，在多核下执行才有优势。
• 采用复制算法。
• 使用 -XX:+UseParNewGC 命令可以切换使用该收集器。

3. Parallel Scavenge收集器

• 比起关注用户线程停顿时间，该收集器更关注系统的吞吐量。
• 在多核下执行才有优势，Server模式下默认的新生代收集器。
• 采用复制算法。
• 使用-XX:+UseParallelGC 命令可以切换使用该收集器。
• 使用-XX:+UseAdaptiveSizePolicy 命令开启自适应调节策略，该命令会动态调整Java堆中各区域的大小及进入老年代的年龄。
• 吞吐量=运行用户代码时间/(运行用户代码时间+垃圾收集时间)

4. Serial Old收集器

• 单线程收集，进行垃圾收集时，必须暂停所有工作线程。
• 简单高效，Client模式下默认的老年代收集器。
• 使用标记-整理算法。
• 使用 -XX:+UseSerialOldGC 命令可切换该收集器。

5. Parallel Old收集器

• 多线程，吞吐量优先。
• 使用标记-整理算法。
• 使用 -XX:+UseParallelOldGC 命令可切换该收集器。

6. CMS收集器

• 垃圾回收的六个步骤：
  • 初始标记：stop-the-world
  • 并发标记：并发追溯标记，程序不会停顿。
  • 并发预清理：查找执行并发标记阶段从新生代晋升到老年代的对象。
  • 重新标记：暂停虚拟机，扫描CMS堆中的剩余对象。
  • 并发清理：清理垃圾对象，程序不会停顿。
  • 并发重置：重置CMS收集器的数据结构。
• 使用标记-清除算法。
• 使用 -XX:+UseConcMarkSweepGC 命令可切换该收集器。

7. G1收集器

• 并发和并行
• 分代收集
• 空间整合
• 可预测的停顿
• 将整个Java堆内存划分成多个大小相等的Region。
• 年轻代和老年代不再物理隔离。
• 使用复制+标记-整理算法
• 使用 -XX:+UseG1GC 命令可切换该收集器。

8. Epsilon GC

• JDK11中新引入的垃圾收集器。
• 一个处理内存分配但不实现任何实际内存回收机制的GC，一旦可用堆内存用完，JVM就会退出。
• 主要用途：
  • 性能测试，可以帮助过滤掉GC引起的性能假象。
  • 内存压力测试。
  • 非常短的JOB任务。
  • VM接口测试。
  • Last-drop 延迟&吞吐改进。

9. ZGC

• OpenJDK ZGC