深入Java底层：GC

概述

下文主要分为以下几个大模块进行JVM的GC解读：

• 垃圾回收之标记算法
• 垃圾回收之回收算法
• 堆内存年轻代垃圾收集器
• 堆内存老年代垃圾收集器

1.垃圾回收之标记算法

既然是垃圾回收，首先就是要判断哪些对象实例是垃圾，可以被回收，标记算法的用处就在于此

引用计数法

Java中通过引用关联对象，显然可以通过引用计数的方式来判断一个对象是否可以被回收。如果一个对象没有和任何一个引用相关联，那这个对象就可以被回收。这种算法实现方式简单，效率高，但是无法解决循环引用的问题，如下这段代码：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        MyObject object1 = new MyObject();
        MyObject object2 = new MyObject();
         
        object1.object = object2;
        object2.object = object1;
         
        object1 = null;
        object2 = null;
    }
}
 
class MyObject{
    public Object object;
}

由于object1和object2相互引用对方，它们的引用计数永远不为0，永远不会被标记而回收

可达性分析法

Java中采取的就是可达性分析算法。此算法以GC Root为起点进

截屏2019-12-26上午10.47.34.png

行引用链搜索，如果GC Root和目标对象之间没有可达路径，则此对象不可达，但是成为可被回收的对象需要经历两次可达性分析算法的标记分析，如果两次都被标记不可达才会被作为”垃圾“。
常见的GC Root有哪些呢？

• 虚拟机栈中的引用对象
• 方法区中的常量引用对象
• 方法区中静态属性引用对象
• 本地方法栈栈中JNI的引用对象
• 活跃线程的引用对象

2.垃圾回收之回收算法

标记算法完成了”垃圾“的标记，下一步就是回收这些”垃圾“

标记-清除算法（mark-sweep）

标记-清除算法

标记-清除算法分为两步骤，第一步就是利用标记算法找到”垃圾“，第二步清除可被回收的对象。此算法思路简单易于实现，但是从上图中可以看出标记-清除算法比较容易导致内存碎片化，如果有较大的对象需要存储时，可能无法找到足够的内存空间存储，从而又触发一次新的垃圾回收动作

复制算法（copying）

为了解决标记清除算法导致的内存碎片化问题，就有了复制算法。
它把内存空间分为两大块，一块为对象面，一块为空闲面；新创建的对象都在对象面上，直到对象面内存空间满了，把对象面里不是垃圾的存活对象全部复制到空闲面，然后把整个对象面内存空间全部清除，如下图：

复制算法

此算法虽然避免了内存碎片化，但是可使用的内存空间却减少了一半，并且此算法效率和存货对象的数目有很大关系，适用于存活对象数目较少的情况

标记-整理算法（mark-compact）

标记整理算法是标记清除算法的更近一步，在完成垃圾标记后，不是直接清除，而是把存活对象都移动至内存一端，按照地址顺序排列，最后把末端地址后的内存空间全部清除，如下图：

标记-整理算法

此算法避免了内存碎片化，也不需要把内存空间分为两大块，适用于存活对象较多的情况

分代收集算法（generational-collection）

此算法是目前大部分JVM采取的垃圾收集算法，效率最高。它可以理解为一套”组合拳“算法，JVM根据对象的生命周期将堆划分为年轻代和老年代，新生代的特点就是每次垃圾回收有较多的垃圾需要回收，老年代的特点就是每次垃圾回收有较少的垃圾需要回收。
因此对于年轻代的垃圾回收一般采用复制算法，因为年轻代的存活对象较少，反之老年代一般采用标记整理算法，因为老年代的存活对象较多。
年轻代单独的垃圾回收被称为Minor GC，年轻代的内存划分其实并不像复制算里面描述的分为1:1，而是分为一个较大的Eden区和两个较小的Survivor区，大致空间大小划分如下：

空间分配

使用新代时，只使用Eden区和其中一个Survivor区，另一个Survivor区空闲。当进行Minor GC时把Eden区和Survivor区中的存活对象复制到另一个空闲的Survivor区，然后清除Eden区和使用过Survivor区。
整个堆的垃圾收集（包括年轻代和老年代）被称为Full GC，也就是当触发Full GC时同时也会触发Minor GC，Full GC的时间大概是Minor GC的十倍。触发Full GC有以下几个条件：

• 老年代空间不足
• 调用System.gc()
• 还有几个我也不记得了

关于垃圾回收的几个JVM性能调优参数

1. -XX:SurvivorRatio：新生代中Eden区Survivor区大小的比值，默认8:1
2. -XX:NewRatio：老年代和年轻代的大小比值
3. -XX:MaxTenuringThreshold：对象从年轻代晋升到老年代需要经历的GC次数的最大阈值

3.年轻代垃圾收集器

Serial收集器

使用-XX:+UseSerialGC设置年轻代使用此垃圾收集器，采用复制算法。单线程收集，在进行垃圾收集时必须暂停其他所有工作的线程，简单高效，JVM的Client模式下的默认垃圾收集器

Serial收集器

ParNew收集器

使用-XX:+UseParNewGC设置年轻代使用此垃圾收集器，采用复制算法。多线程收集，进行垃圾收集时和Serial一样暂停其他工作线程，其在多核cpu的情况下才能发挥其优势

ParNew收集器

Parallel Scavenge收集器

使用-XX:+UseParallelGC设置年轻代使用此垃圾收集器，采用复制算法。与ParNew一样多线程收集，相比于前两者收集器关注点为垃圾收集停顿时间，此垃圾收集器的关注点为吞吐量（用户运行代码的时间/用户运行代码的时间+垃圾收集时间）,多核cpu才能发挥优势，JVM的Server模式下的默认垃圾收集器

Parallel Scavenge收集器

如果对其垃圾收集器的工作原理不太理解，常常使用此垃圾收集器配合-XX:+UseAdaptiveSizePolicy自适应调节策略，把内存调优任务交给JVM

4.老年代垃圾收集器

Serial Old收集器

使用-XX:+UseSerialOldGC设置老年代使用此垃圾收集器，采用标记-整理算法。其特点与Serial收集器的特点相同

Parallel Old收集器

使用-XX:+UseParallelGC设置老年代使用此垃圾收集器，采用标记-整理算法。其特点与Parallel Scavenge相同，多线程收集，吞吐量优先，常与Parallel Scavenge配合使用达到高吞吐量的效果

CMS收集器

使用-XX:+UseConcMarkSweepGC设置老年代使用此垃圾收集器，采用标记-清除算法。CMS是一种以获取最短停顿时间为目的的收集器，是垃圾收集和工作线程几乎可以并行工作的收集器（并发收集器）

CMS收集器

G1收集器

使用-XX:+UseG1GC设置老年代使用此垃圾收集器，采用复制+标记-整理算法。它是一款并行并发收集器，对整个堆空间进行垃圾收集，能建立可预测的停顿时间模型

各个收集器之间的可兼容关系

各个收集器之间的可兼容关系

图中上半部分为年轻代垃圾收集器，下半部分为老年代垃圾收集器，连线意味着可兼容