深入理解Java虚拟机---第三章

第三章

1. 当需要排查各种内存溢出、内存泄漏问题时，当垃圾收集成为系统达到更高并发量的瓶颈时，我们就必须对这些“自动化”的技术实施必要的监控和调节。
2. 程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈3个区域随线程而生，随线程而灭，栈中的栈帧随着方法的进入和退出而有条不紊地执行着出栈和入栈操作。每一个栈帧中分配多少内存基本上是在类结构确定下来时就已知的，在这几个区域内就不需要过多考虑如何回收的问题，当方法结束或者线程结束时，内存自然就跟随着回收了。
3. 而Java堆和方法区这两个区域则有着很显著的不确定性：一个接口的多个实现类需要的内存可能会不一样，一个方法所执行的不同条件分支所需要的内存也可能不一样，这部分内存的分配和回收是动态的。
4. 引用计数算法：在对象中添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器值就加一；当引用失效时，计数器值就减一；任何时刻计数器为零的对象就是不可能再被使用的。但也有很多例外情况，譬如就很难解决对象之间相互循环引用的问题。
5. 可达性分析算法：通过一系列称为“GC Roots”的根对象作为起始节点集，从这些节点开始，根据引用关系向下搜索，搜索过程所走过的路径称为“引用链”（Reference Chain），如果某个对象到GC Roots间没有任何引用链相连，或者用图论的话来说就是从GC Roots到这个对象不可达时，则证明此对象是不可能再被使用的。
6. 如果只针对Java堆中某一块区域发起垃圾收集时（如最典型的只针对新生
   代的垃圾收集），必须考虑到内存区域是虚拟机自己的实现细节（在用户视角里任何内存区域都是不可见的），更不是孤立封闭的，所以某个区域里的对象完全有可能被位于堆中其他区域的对象所引用，这时候就需要将这些关联区域的对象也一并加入GC Roots集合中去，才能保证可达性分析的正确
   性。
7. 强引用：是最传统的“引用”的定义，是指在程序代码之中普遍存在的引用赋值，即类似“Object obj=new Object()”这种引用关系。无论任何情况下，只要强引用关系还存在，垃圾收集器就永远不会回收掉被引用的对象。
8. 软引用：描述一些还有用，但非必须的对象。只被软引用关联着的对象，在系统将要发生内存溢出异常前，会把这些对象列进回收范围之中进行第二次回收，如果这次回收还没有足够的内存，才会抛出内存溢出异常
9. 弱引用：也是用来描述那些非必须对象，但是它的强度比软引用更弱一些，被弱引用关联的对象只能生存到下一次垃圾收集发生为止。当垃圾收集器开始工作，无论当前内存是否足够，都会回收掉只被弱引用关联的对象。
10. 虚引用：也称为“幽灵引用”或者“幻影引用”，它是最弱的一种引用关系。一个对象是否有虚引用的存在，完全不会对其生存时间构成影响，也无法通过虚引用来取得一个对象实例。为一个对象设置虚引用关联的唯一目的只是为了能在这个对象被收集器回收时收到一个系统通知。
11. 真正宣告一个对象死亡：至少要经历两次标记过程：如果对象在进行可达性分析后发现没有与GC Roots相连接的引用链，那它将会被第一次标记，随后进行一次筛选，筛选的条件是此对象是否有必要执行finalize()方法。假如对象没有覆盖finalize()方法，或者finalize()方法已经被虚拟机调用过，那么虚拟机将这两种情况都视为“没有必要执行”。
12. 方法区的垃圾收集主要回收两部分内容：废弃的常量和不再使用的类型。回收废弃常量与回收Java堆中的对象非常类似，虚拟机中也没有地方引用这个字面量。
13. 判定一个类型是否属于“不再被使用的类”：该类所有的实例都已经被回收，也就是Java堆中不存在该类及其任何派生子类的实例；加载该类的类加载器已经被回收；该类对应的java.lang.Class对象没有在任何地方被引用，无法在任何地方通过反射访问该类的方法。
14. 垃圾收集算法可以划分为“引用计数式垃圾收集”（Reference Counting GC）和“追踪式垃圾收集”（Tracing GC）两大类，这两类也常被称作“直接垃圾收集”和“间接垃圾收集”
15. “分代收集”：1）弱分代假说（Weak Generational Hypothesis）：绝大多数对象都是朝生夕灭的 2）强分代假说（Strong Generational Hypothesis）：熬过越多次垃圾收集过程的对象就越难以消亡。
16. 收集器应该将Java堆划分出不同的区域，然后将回收对象依据其年龄（年龄即对象熬过垃圾收集过程的次数）分配到不同的区域之中存储
17. 在Java堆划分出不同的区域之后，垃圾收集器才可以每次只回收其中某一个或者某些部分的区域——因而才有了“Minor GC”“Major GC”“Full GC”这样的回收类型的划分；
18. 设计者一般至少会把Java堆划分为新生代（Young Generation）和老年代（Old Generation）两个区域。在新生代中，每次垃圾收集时都发现有大批对象死去，而每次回收后存活的少量对象，将会逐步晋升到老年代中存放。
19. 部分收集（Partial GC）：指目标不是完整收集整个Java堆的垃圾收集，其中又分为：■新生代收集（Minor GC/Young GC）：指目标只是新生代的垃圾收集。■老年代收集（Major GC/Old GC）：指目标只是老年代的垃圾收集。
20. 混合收集（Mixed GC）：指目标是收集整个新生代以及部分老年代的垃圾收集。目前只有G1收集器会有这种行为。
21. 整堆收集（Full GC）：收集整个Java堆和方法区的垃圾收集。
22. 标记-清除算法：首先标记出所有需要回收的对象，在标记完成后，统一回收掉所有被标记的对象，也可以反过来，标记存活的对象，统一回收所有未被标记的对象
23. 标记-清除算法主要缺点有两个：第一个是执行效率不稳定，如果Java堆中包含大量对象，而且其中大部分是需要被回收的，这时必须进行大量标记和清除的动作，导致标记和清除两个过程的执行效率都随对象数量增长而降低；第二个是内存空间的碎片化问题，标记、清除之后会产生大量不连续的内存碎片，空间碎片太多可能会导致当以后在程序运行过程中需要分配较大对象时无法找到足够的连续内存而不得不提前触发另一次垃圾收集动作。
24. 通常标记-清除算法也是需要停顿用户线程来标记、清理可回收对象的，只是停顿时间相对而言要来的短而已。
25. 标记-复制算法：它将可用内存按容量划分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块。当这一块的内存用完了，就将还存活着的对象复制到另外一块上面，然后再把已使用过的内存空间一次清理掉。每次都是针对整个半区进行内存回收，分配内存时也就不用考虑有空间碎片的复杂情况，只要移动堆顶指针，按顺序分配即可。现在的商用Java虚拟机大多都优先采用了这种收集算法去回收新生代
26. 标记-整理算法：其中的标记过程仍然与“标记-清除”算法一样，但后续步骤不是直接对可回收对象进行清理，而是让所有存活的对象都向内存空间一端移动，然后直接清理掉边界以外的内存
27. 如果移动存活对象，尤其是在老年代这种每次回收都有大量对象存活区域，移动存活对象并更新所有引用这些对象的地方将会是一种极为负重的操作，而且这种对象移动操作必须全程暂停用户应用程序才能进行（Stop The World）
28. 是否移动对象都存在弊端：移动则内存回收时会更复杂，不移动则内存分配时会更复杂。从垃圾收集的停顿时间来看，不移动对象停顿时间会更短，甚至可以不需要停顿，但是从整个程序的吞吐量来看，移动对象会更划算。此语境中，吞吐量的实质是赋值器（Mutator，可以理解为使用垃圾收集的用户程序）与收集器的效率总和。即使不移动对象会使得收集器的效率提升一些，但因内存分配和访问相比垃圾收集频率要高得多，这部分的耗时增加，总吞吐量仍然是下降的。
29. 实际上HotSpot也的确没有为每条指令都生成OopMap，前面已经提到，只是在“特定的位置”记录了这些信息，这些位置被称为安全（Safepoint）。有了安全点的设定，也就决定了用户程序执行时并非在代码指令流的任意位置都能够停顿下来开始垃圾收集，而是强制要求必须执行到达安全点后才能够暂停。
30. 安全点位置的选取基本上是以“是否具有让程序长时间执行的特征”为标准进行选定的
31. 在垃圾收集发生时让所有线程（这里其实不包括执行JNI调用的线程）都跑到最近的安全点，然后停顿下来：抢先式中断（Preemptive Suspension）和主动式中断（Voluntary Suspension）
32. 抢先式中断：不需要线程的执行代码主动去配合，在垃圾收集发生时，系统首先把所有用户线程全部中断，如果发现有用户线程中断的地方不在安全点上，就恢复这条线程执行，让它一会再重新中断，直到跑到安全点上
33. 主动式中断：当垃圾收集需要中断线程的时候，不直接对线程操作，仅仅简单地设置一个标志位，各个线程执行过程时会不停地主动去轮询这个标志，一旦发现中断标志为真时就自己在最近的安全点上主动中断挂起
34. 安全区域：能够确保在某一段代码片段之中，引用关系不会发生变化，因此，在这个区域中任意地方开始垃圾收集都是安全的。
35. 我们也可以把安全区域看作被扩展拉伸了的安全点。
36. 当用户线程执行到安全区域里面的代码时，首先会标识自己已经进入了安全区域，那样当这段时间里虚拟机要发起垃圾收集时就不必去管这些已声明自己在安全区域内的线程了。
37. 当线程要离开安全区域时，它要检查虚拟机是否已经完成了根节点枚举（或者垃圾收集过程中其他需要暂停用户线程的阶段），如果完成了，那线程就当作没事发生过，继续执行；否则它就必须一直等待，直到收到可以离开安全区域的信号为止。
38. 记忆集：一种用于记录从非收集区域指向收集区域的指针集合的抽象数据结构，用以避免把整个老年代加进GC Roots扫描范围。
39. 收集器只需要通过记忆集判断出某一块非收集区域是否存在有指向了收集区域的指针就可以了，并不需要了解这些跨代指针的全部细节。
40. 记忆集是一种“抽象”的数据结构：抽象的意思是只定义了记忆集的行为意图，并没有定义其行为的具体实现。卡表就是记忆集的一种具体实现
41. 在HotSpot虚拟机里是通过写屏障（Write Barrier）技术维护卡表状态的。
42. 写屏障可以看作在虚拟机层面对“引用类型字段赋值”这个动作的AOP切
    面，在引用对象赋值时会产生一个环形（Around）通知，供程序执行额外的动作，也就是说赋值的前后都在写屏障的覆盖范畴内。
43. 应用写屏障后，虚拟机就会为所有赋值操作生成相应的指令，一旦收集器在写屏障中增加了更新卡表操作，无论更新的是不是老年代对新生代对象的引用，每次只要对引用进行更新，就会产生额外的开销
44. 三色标记：白色：显然在可达性分析刚刚开始的阶段，所有的对象都是
    白色的，若在分析结束的阶段，仍然是白色的对象，即代表不可达。
    黑色：表示对象已经被垃圾收集器访问过，且这个对象的所有引用都已经扫描过。灰色：表示对象已经被垃圾收集器访问过，但这个对象上至少存在一个引用还没有被扫描过。
45. Wilson于1994年在理论上证明了，当且仅当以下两个条件同时满足时，会产生“对象消失”的问题，即原本应该是黑色的对象被误标为白色：
    ·赋值器插入了一条或多条从黑色对象到白色对象的新引用；
    ·赋值器删除了全部从灰色对象到该白色对象的直接或间接引用。
46. 两种解决方案：增量更新（Incremental Update）和原始快照（Snapshot At The Beginning，SATB）。
47. 增量更新：破坏第一个条件，当黑色对象插入新的指向白色对象的引用关系时，就将这个新插入的引用记录下来，等并发扫描结束之后，再将这些记录过的引用关系中的黑色对象为根，重新扫描一次。这可以简化理解为，黑色对象一旦新插入了指向白色对象的引用之后，它就变回灰色对象了。
48. 原始快照：破坏第二个条件，当灰色对象要删除指向白色对象的引用关系时，就将这个要删除的引用记录下来，在并发扫描结束之后，再将这些记录过的引用关系中的灰色对象为根，重新扫描一次。这也可以简化理解为，无论引用关系删除与否，都会按照刚刚开始扫描那一刻的对象图快照来进行搜索。
49. 以上无论是对引用关系记录的插入还是删除，虚拟机的记录操作都是通过写屏障实现的
50. Serial收集器是一个单线程工作的收集器，并不仅仅是说明它只会使用一个处理器或一条收集线程去完成垃圾收集工作，更重要的是强调在它进行垃圾收集时，必须暂停其他所有工作线程，直到它收集结束。
51. Serial收集器由于没有线程交互的开销，专心做垃圾收集自然可以获得最高的单线程收集效率。Serial收集器对于运行在客户端模式下的虚拟机来说是一个很好的选择。
52. ParNew收集器实质上是Serial收集器的多线程并行版本
53. 并行（Parallel）：并行描述的是多条垃圾收集器线程之间的关系，说明同一时间有多条这样的线程在协同工作，通常默认此时用户线程是处于等待状态。
54. 并发（Concurrent）：并发描述的是垃圾收集器线程与用户线程之间的关系，说明同一时间垃圾收集器线程与用户线程都在运行。由于用户线程并未被冻结，所以程序仍然能响应服务请求，但由于垃圾收集器线程占用了一部分系统资源，此时应用程序的处理的吞吐量将受到一定影响。
55. Parallel Scavenge收集器也是一款新生代收集器，它同样是基于标记-复制算法实现的收集器，也是能够并行收集的多线程收集器，Parallel Scavenge收集器的目标则是达到一个可控制的吞吐量（Throughput）。吞吐量就是处理器用于运行用户代码的时间与处理器总消耗时间（运行用户代码的时间+运行垃圾收集时间）的比值。
56. 垃圾收集的自适应的调节策略：把内存管理的调优任务交给虚拟机。自适应调节策略也是Parallel Scavenge收集器区别于ParNew收集器的一个重要特性。
57. Serial Old是Serial收集器的老年代版本，它同样是一个单线程收集器，使用标记-整理算法。这个收集器的主要意义也是供客户端模式下的HotSpot虚拟机使用。
58. Parallel Old是Parallel Scavenge收集器的老年代版本，支持多线程并发收集，基于标记-整理算法实现。
59. CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器。目前很大一部分的Java应用集中在互联网网站或者基于浏览器的B/S系统的服务端上，这类应用通常都会较为关注服务的响应速度，希望系统停顿时间尽可能短，以给用户带来良好的交互体验。
60. CMS收集器分为四个步骤：1）初始标记（CMS initial mark）2）并发标记（CMS concurrent mark）3）重新标记（CMS remark）4）并发清除（CMS concurrent sweep）
61. 从总体上来说，CMS收集器的内存回收过程是与用户线程一起并发执行的
62. CMS收集器缺点：首先，CMS收集器对处理器资源非常敏感。但是当处理器核心数量不足四个时，CMS对用户程序的影响就可能变得很大。其次，无法处理“浮动垃圾”，程序在运行自然就还会伴随有新的垃圾对象不断产生，但这一部分垃圾对象是出现在标记过程结束以后，CMS无法在当次收集中处理掉它们，只好留待下一次垃圾收集时再清理掉。这一部分垃圾就称为“浮动垃圾”。最后，CMS是一款基于“标记-清除”算法实现的收集器，意味着收集结束时会有大量空间碎片产生
63. Garbage First（简称G1）收集器是垃圾收集器技术发展历史上的里程碑式的成果，它开创了收集器面向局部收集的设计思路和基于Region的内存布局形式。G1是一款主要面向服务端应用的垃圾收集器。优先处理回收价值收益最大的那些Region
64. G1收集器的运作过程大致可划分为以下四个步骤：初始标记；并发标记；最终标记；筛选回收；除了并发标记外，其余阶段也是要完全暂停用户线程的。可以由用户指定期望的停顿时间是G1收集器很强大的一个功能
65. 在小内存应用上CMS的表现大概率仍然要会优于G1，而在大内存应用上G1则大多能发挥其优势
66. 衡量垃圾收集器的三项最重要的指标是：内存占用（Footprint）、吞吐量（Throughput）和延迟（Latency）
67. Shenandoah作为第一款不由Oracle（包括以前的Sun）公司的虚拟机团队所领导开发的HotSpot垃圾收集器，默认的回收策略也同样是优先处理回收价值最大的Region；支持并发的整理算法；应用“连接矩阵”（Connection
    Matrix）的全局数据结构来记录跨Region的引用关系，降低了处理跨代指针时的记忆集维护消耗；
68. Shenandoah收集器的工作过程大致可以划分为以下九个阶段：初始标记；并发标记；最终标记； 并发清理；并发回收；初始引用更新；并发引用更新；最终引用更新；并发清理
69. Brooks Pointer：提出了使用转发指针（Forwarding Pointer，也常被称为Indirection Pointer）来实现对象移动与用户程序并发的一种解决方案。在原有对象布局结构的最前面统一增加一个新的引用字段，在正常不处于并发移动的情况下，该引用指向对象自己
70. 只要旧对象的内存仍然存在，未被清理掉，虚拟机内存中所有通过旧引用地址访问的代码便仍然可用，都会被自动转发到新对象上继续工作
71. 如果发生的是并发写入，就一定必须保证写操作只能发生在新复制的对象上，而不是写入旧对象的内存中
72. 为了实现Brooks Pointer，Shenandoah在读、写屏障中都加入了额外的转发处理，尤其是使用读屏障的代价，这是比写屏障更大的。代码里对象读取的出现频率要比对象写入的频率高出很多，读屏障数量自然也要比写屏障多得多
73. Shenandoah是本书中第一款使用到读屏障的收集器，它的开发者也意识到数量庞大的读屏障带来的性能开销会是Shenandoah被诟病的关键点之一
74. ZGC也采用基于Region的堆内存布局，ZGC的Region可以有大、中、小三类容量
75. ZGC的运作过程：并发标记；并发预备重分配；并发重分配；并发重映射；
76. Java技术体系的自动内存管理，最根本的目标是自动化地解决两个问题：自动给对象分配内存以及自动回收分配给对象的内存。
77. 大多数情况下，对象在新生代Eden区中分配。当Eden区没有足够空间进行分配时，虚拟机将发起一次Minor GC。