【后端面经-Java】JVM垃圾回收机制

1. Where：回收哪里的东西？——JVM内存分配

JVM垃圾回收机制（Garbage Collect，简称GC）主要负责回收JVM内存当中未被及时释放回收的内存区域，JVM垃圾回收机制让程序员摆脱了手动释放内存的操作，降低了程序员疏忽大意导致的风险。
那么，垃圾回收机制到底针对哪一块的内存空间进行处理呢？是整体内存还是某一块内存？
在回答这个问题之前，我们需要先了解一下JVM内存分配机制，JVM内存分配机制主要有如下几个区域：

• 栈（Stack）
• 堆（Heap）
• 方法区（Method Area）
• 本地方法栈（Native Method Stack）
• 程序计数器（PC）
  我们需要知道的是，栈、本地方法栈、程序计数器和方法调用有关，是线程私有的，随着方法结束，栈和本地方法栈的栈帧会出栈，释放内存，因此，这三部分并不需要使用垃圾回收机制。
  而堆主要存放对象实例和数组，而方法区存放类的信息、编译信息、常量池等，这两块区域由于是线程共享的，在方法调用结束之后也不会被释放内存（毕竟A用完了，不知道B、C、D会不会用到这部分）需要使用垃圾回收机制进行内存回收。

关于每个区域的具体内容，可参考博客：【后端面经-Java】JVM内存分区详解

因此，内存回收机制主要针对堆和方法区进行处理。

2. Which：内存对象中谁会被回收？——GC分代思想

2.1 年轻代/老年代/永久代

JVM垃圾回收机制中，一般都是基于GC分代思想进行算法设计。
GC机制将内存内容分为三部分：

• 年轻代（Young Generation）：新产生的实例基本上都处于这代，因为新产生的实例大部分都是一次性的，因此这部分内存需要经常进行内存回收；
• 老年代（Old Generation）：在新生代残酷频繁的筛选机制中，多次存活下来的实例会进入老年代，老年代意味着生命周期较长，一般在内存没有满之前不会对这部分内存进行回收；
• 永久代（Permanent Generation，JCK1.8之后改成元空间（Metaspace））：永久代存放的是JVM程序运行相关的元数据，比如类信息、方法信息、常量池等，内容重要且占空间小，因此基本上不会进行垃圾回收。

如果要类比的话，年轻代就是刚刚步入职场的小青年，不稳定性较高，很容易被裁员（垃圾回收），而熬过这个阶段，成为技术骨干（老年代）之后，基本上不会在正常公司运行过程中被裁员，除非公司倒闭（内存已满），而永久代或者元空间就是公司最高层的管理人员，对公司的运行起着关键作用，一般情况下不会被裁员。

2.2 内存细分

1. 堆和方法区
   堆中存放年轻代和老年代，而方法区中存放永久代。
2. 新生代区域细分
   新生代区域又分为Eden区、Survivor0区和Survivor1区，比例为8:1:1。

整体内存细分情况如图所示：

3. When：什么时候回收垃圾？——GC触发条件

GC按照触发条件，可分为Scavenge GC和Full GC。

• Scavenge GC（Minor GC）
  Scavenge GC是指年轻代Eden区的垃圾回收，触发条件为：
  • 年轻代Eden区域内存不足
    • 调用Scavenge GC之后，将未清理的元素放入Survivor0区域。如果Survivor0区域内存不足，则将Survivor0区域内存中的所有元素放入Survivor1区域。清空Survivor0区域，然后将Survivor1中的元素放入Survivor0中；
    • 如果Survivor1区域内存不足，则将Survivor1区域内存中的所有元素放入老年代中；
    • 如果老年代也内存不足，则会考虑触发Full GC。
• Full GC（Major GC）
  Full GC是整体对内存的垃圾回收，包括年轻代和老年代，触发条件为：
  • 老年代内存不足
  • 永久代内存不足
  • 显性调用system.gc()
  • 上次GC之后堆内存的划分出现变化

对于GC线程，其本身的优先级比较低，因此在CPU空闲的时候，可能会进行GC处理，而在忙时基本上不会进行GC处理，除非此时内存空间不足，需要GC处理之后才能正常运行。
Full GC对于计算资源是一个很大的消耗，应该尽量避免使用Full GC。

4. Why：凭什么说它是垃圾？——垃圾判断算法

前面主要介绍了JVM垃圾回收机制的针对对象，GC分代思想和触发条件。那么，好好的一个对象实例，GC机制空口无凭凭什么说它是垃圾呢？这就需要垃圾判断算法了。
常见的垃圾判断方法有两种：引用计数法和可达性分析法。

4.1 引用计数法

• 每个对象实例都有一个引用计数器，当有一个引用指向该对象实例时，引用计数器加1，当引用失效时，引用计数器减1，当引用计数器为0时，该对象实例就是垃圾，需要进行回收。
• 补充一下JVM的引用类型，如下图所示：
• 优点：判断逻辑简单；
• 缺点：无法解决循环引用的问题(从图论角度来说就是环状节点无法识别)。

4.2 可达性分析法

• 将每个实例看作节点，两个实例之间的引用关系看作路径。从GC Roots开始，对堆内存中的对象进行遍历，如果某个对象实例没有被遍历到，则说明该对象实例不可达，不可达则是垃圾，对其进行垃圾标记，等待后续回收（非连通图查找连通子图的数量）。
• GC Roots指的是正在运行的程序中一些基本对象，从这些对象往下查找其引用对象，包括如下几种：
  • 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
• 优点：能有效解决循环引用的问题；
• 缺点：判断逻辑复杂，需要遍历整个内存空间，效率较低。

5. How：如何对待垃圾？——垃圾回收算法

常见的垃圾回收算法包括：标记-清除算法、标记-整理算法、复制算法和分代收集算法（自适应算法）。

5.0 垃圾的垂死挣扎

在被处决之前，垃圾会进行一次垂死挣扎，实例第一次被标记为垃圾之后，如果可以进行一次有效finalize()方法调用，和其他实例建立引用，那么该实例就会被复活，不会被回收。

5.1 标记-清除算法

在垃圾判断算法执行完成后，已经被明确判断成垃圾的实例，清除法在原地释放其内存空间，将其标记为可用空间，等待后续的内存分配。

• 优点：操作简单，原地清除不需要复制内存
• 缺点：会产生内存碎片，长期运行会影响CPU运行效率

5.2 标记-整理算法

标记-整理算法在标记完成之后，将所有存活的实例移动到一端，然后清除掉另一端的内存空间，这样就可以有效解决内存碎片的问题。

• 优点：无内存碎片；
• 缺点：需要移动实例，效率较低；

5.3 复制算法

复制算法将内存空间分为两块，每次只使用其中一块，当一块内存空间内存满了之后，将存活的实例复制到另一块内存空间中，然后清除掉之前的内存空间。

• 优点：无内存碎片，操作简单；标记和复制可并行；
• 缺点：可用内存空间直接减半，内存利用率较低；

5.4 分代收集算法

针对不同代的数据特点，使用不同的垃圾回收算法。

• 年轻代：复制算法
  • 存活对象较少，复制算法每次的对象复制不会有太大负担；
  • 操作频繁，复制算法标记和复制可并发处理，效率较高；
• 老年代：标记-整理算法
  • 存活对象较多，减少内存碎片，提高可用性
• 永久代（元空间）：不作考虑

6. Who：谁去处理垃圾？——垃圾回收器

垃圾回收器是垃圾回收算法的执行者，常见的垃圾回收器如下图所示：

连线部分说明这两个垃圾回收器能够搭配使用。

6.1 年轻代-Serial收集器

• 回收算法：复制算法
• 单线程：执行回收算法的时候是单线程；适用于并发能力较低的系统。
• Stop the World：一般线程和回收线程无法并行，执行回收算法需要中断其他线程，这个现象称为Stop the World（乱入Dio的“咋瓦鲁多”）。
  • Stop the World现象会导致系统暂停，引出垃圾收集停顿时间这一参数，影响用户体验，因此需要尽量避免；
• 优点：简单高效，适用于单核CPU；
• 缺点：无法并行，且单线程处理效率较低；
• 启用方式：-XX:+UseSerialGC

6.2 年轻代-ParNew收集器

• 回收算法：复制算法
• 多线程：执行回收算法的时候是多线程；
• 也会存在Stop the World现象，除了多线程的改进之外，和Serial收集器没有太大区别；
• 优点：多线程处理效率高，适用于多核CPU；
• 缺点：一般线程和回收线程无法并行处理；
• 启用方式：-XX:+UseParNewGC

6.3 年轻代-Parallel Scavenge收集器

• 回收算法：复制算法
• 关注吞吐量

  吞吐量 = 用户线程运行时间 / （用户线程运行时间 + 垃圾回收线程运行时间）
  

• 相关参数
  • 1. 垃圾收集停顿时间
    • 设置方式：-XX:MaxGCPauseMillis=一个数值
    • 停顿时间过大将会直接影响每次垃圾回收的用户体验，停顿时间过小则会导致垃圾回收频繁；
  • 2. 吞吐量大小
    • 设置方式：-XX:GCTimeRatio=一个数值
    • 默认取值为99%，表示只有1%的时间用于垃圾回收；
  • 3. 自适应模式
    • 设置方式：-XX:+UseAdaptiveSizePolicy
    • 设置自适应模式之后，内存中的新生代分配比例和老年代的时间参数可自行调整，达到吞吐量、停顿时间和内存占用的平衡；
• 是JDK1.8的默认垃圾回收器
• 启用方式：-XX:+UseParallelGC

6.4 老年代-SerialOld收集器

• 回收算法：标记-整理算法
• 单线程，可类比年轻代的Serial收集器，优缺点同理
• CMS收集器的后备算法

6.5 老年代-ParallelOld收集器

• 回收算法：标记-压缩算法
• 关注吞吐量，可类比年轻代的Parallel Scavenge收集器
• 多线程，线程数通过-XX:ParallelGCThreads设置，默认为CPU核心数
• 启用方式：-XX:+UseParallelOldGC

6.6 老年代-CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器

• 回收算法：标记-清除算法
• 关注停顿时间，期望有较短的垃圾回收停顿时间，从而优化用户体验；
• 回收步骤：
  • 初始标记：适用可达性分析法的思想，标记GC Roots能直接关联到的对象，速度较快；
  • 并发标记：一般线程和回收线程并行，对此时标记状态出现变化的实例进行统计；
  • 重新标记：根据并发标记的结果，对标记状态发生变化的实例进行重新标记，这一步相对较慢；
  • 并发清除：清理垃圾实例，释放内存空间；这一步可以和一般线程并行；
• 相关参数：
  • 触发阈值：
    • 设置方式：-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=一个数值
    • 和之前讨论的何时进行垃圾回收的触发机制不同，CMS在处理老年代的时候，不会等到内存完全占满，而是会设置一个阈值，默认数值为68%，占用内存空间超过这个阈值就进行垃圾回收处理。
  • 整理标记
    • 设置方式：-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection
    • 如果设置这一标记，则垃圾回收之后会进行一次整理，合并内存碎片。
• 优点：并发收集，提高执行效率；减少停顿时间，用户体验佳
• 缺点：无法处理浮动垃圾，对CPU资源敏感，且标记清除算法会产生内存碎片

6.7 年轻代和老年代-G1（Garbage First）收集器

• 回收算法：整体来看是标记-整理算法，局部来看是复制算法
• 关注停顿时间，也关注高吞吐量（我全都要.jpg）；
• 分区：不同于之前所讨论的分代划分内存区域的方式，G1回收器将内存划分为一个又一个单元区域，称为Region，
  • 设置方式：-XX:G1HeapRegionSize=一个数值
  • 每个分区内部可以存放年轻代或者老年代的数据，根据不同的存放数据，将分区划分为四类：
    • E-Eden区：存放年轻代当中Eden区域的数据；
    • S-Survivor区：存放年轻代当中Survivor区域(survivor0和survivor1)的数据；
    • O-Old：存放老年代的一般数据；
    • H-Humongous：存放老年代当中大对象的数据；当占据整个Region一半以上的时候，就会被划分为Humongous区域；
• 停顿预测模型：用户可以自行设置垃圾回收停顿时间，而G1回收器会根据历史数据构建预测模型，考虑为了满足用户设置的停顿时间，本次垃圾回收可以处理哪几个Region。
• Region优先级队列：G1浏览器维护一个Region队列，高价值的Region有更高的优先级，在垃圾回收的时候优先处理，这也是Garbage First名字的由来。
• 回收步骤（和CMS回收器类似）：
  • 初始标记
  • 并发标记
  • 重新标记
  • 并发清除
• 优点：并发操作，并行收集，提高执行效率；关注停顿时间，可预测停顿时间，优化用户体验；可处理浮动垃圾，不会产生内存碎片；

6.8 垃圾回收器对比图

对上述垃圾回收器的对比如下所示：

面试模拟

Q：介绍一下JVM和垃圾回收机制。
A：从"where"、“which”、“when”、“why”、“how”、"who"的角度，重点介绍触发机制/判断算法/垃圾回收算法/垃圾回收机制。

参考资料

1. JVM之垃圾回收机制（GC）
2. JVM的垃圾回收机制 总结(垃圾收集、回收算法、垃圾回收器)
3. 深入理解 JVM 垃圾回收机制及其实现原理