JVM：垃圾回收
当我们编写Java应用程序时，我们通常不需要考虑内存管理的细节，因为Java虚拟机(JVM)会自动处理内存分配和垃圾回收。垃圾回收是JVM的一个重要功能，它负责在应用程序运行时自动回收不再使用的内存。在这篇技术博客中，我们将深入探讨JVM垃圾回收机制的工作原理，以及如何优化垃圾回收以提高Java应用程序的性能。
目录
什么是垃圾？
如何定位垃圾？
引用计数算法
根可达算法
常见垃圾回收算法
分代
分区
新生代和老年代
常用垃圾回收器
Serial
Parallel Scavenge
CMS
三色标记算法
特殊情况
第一种是CMS的解决方案：Incremental Update
CMS解决方案的缺陷
第二种是G1方案：SATB Snapshot At the Beginning
Rset
实战操作
GC常用参数：
G1常用参数
什么是垃圾？
不管我们写什么语言，我们都需要向内存当中分配数据，在C语言当中，我们使用malloc方法来给变量分配内存。在C++中我们new一个对象来分配内存。然而，所有语言都会面临一个问题：当我分配了一块内存空间之后，我们需要把它回收掉。
在C/C++中我们一般称之为手工回收。也就是需要开发人员自己回收内存。手工回收在调试程序的时候有巨大的困难。比如假设我们忘记了回收内存，别的变量就无法再占有这块内存，这就造成了内存泄漏。再比如我们判断失误多回收了一次，及会造成不可预估的损失。
当我们再内存中分配之后再也用不到的空间，就是我们所谓的垃圾。由于C/C++是手工回收非常容易出错，所以java中设置一个“垃圾管理员”GC来完成回收任务。
如何定位垃圾？
当我们要回收内存当中的垃圾的时候，首先需要定位垃圾的位置，常用的垃圾定位算法有两种：
引用计数(reference count)和根可达(RootSearching)
引用计数算法
引用计数算法是一种简单的垃圾定位算法，它通过在对象中添加一个计数器来跟踪对象的引用数。当引用数为0时，对象就可以被回收。
但是，这种算法存在一个问题，即无法处理循环引用的情况。例如，如果对象A引用了对象B，而对象B又引用了对象A，那么它们的引用计数永远不会为0，即使它们已经不再被程序使用了。
根可达算法
为了解决这个问题，JVM使用可达性分析算法。该算法从一组称为“GC Roots”的对象开始，然后通过这些对象的引用链来查找所有可达对象。所有不可达对象都可以被回收。GC Roots包括虚拟机栈中的对象、方法区中的类静态属性引用的对象以及本地方法栈中JNI(Native方法)引用的对象等。
通过可达性分析算法，JVM可以正确地处理循环引用的情况，并且可以准确地确定哪些对象可以被回收，从而有效地管理内存。
常见垃圾回收算法
常见的垃圾回收算法有以下几种：
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标记-清除算法（Mark and Sweep）：该算法分为两个阶段，首先标记所有活动对象，然后清除所有未标记的对象。该算法的缺点是碎片化，会产生内存碎片，导致内存空间的利用率降低。
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复制算法（Copying）：该算法将内存空间分为两个区域，每次只使用其中一个区域。当这个区域用完后，将其中的存活对象复制到另一个区域中，然后清除原来的区域。该算法的优点是不会产生内存碎片，但是需要额外的空间来存储复制对象，空间利用率较低。
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标记-压缩算法（Mark and Compact）：该算法在标记阶段和标记-清除算法类似，但是在清除阶段，它会将所有存活对象移动到内存的一端，然后清除另一端的所有对象。该算法的缺点是需要移动对象，因此效率较低。
在JVM当中，GC围绕着这三种算法的排列组合，结合着对于内存的分代或分区的管理方式，到现在为止，JVM一共产生了十种垃圾回收器
分代
将内存一分为二，一部分是新生代，一部分是老年代。新创建的对象会被分配到年轻代，而长时间存活的对象则会被移动到老年代。年轻代使用复制算法，而老年代使用标记-整理或标记-压缩算法。分代可以进一步提高垃圾回收的效率，因为不同代的对象具有不同的生命周期和特性，可以针对性地选择合适的垃圾回收算法和参数。
分区
分区模型是另一种内存管理方式，它将内存划分为多个固定大小的区域，每个区域可以分配给不同的进程或线程使用。
如图，分区是把内存分为一个个小块。
在JVM的内存管理中，JDK8及以前采用的都是分代模型，JDK9采用的默认垃圾回收器G1首次采用了分区模型。
新生代和老年代
在分代模型中，新生代中的对象通常具有较短的生命周期，而老年代中的对象则具有较长的生命周期。当新生代中的对象经过多次垃圾回收仍然存活时，它们就会被转移到老年代中。
具体来说，在新生代中，通常将内存分为一个Eden空间和两个Survivor空间。当Eden空间满时，会触发一次垃圾回收，将存活的对象移动到其中一个Survivor空间中。当这个Survivor空间也满时，会将存活的对象移动到另一个Survivor空间中。当第二个Survivor空间也满时，会将存活的对象移动到老年代中。
因此，新生代中的对象需要经过多次垃圾回收才能转移到老年代中，而且只有在对象的生命周期比较长或者内存空间不足时，才会触发这种转移。如果新生代中的对象可以在垃圾回收后被释放，那么它们就不会被转移到老年代中。
常用垃圾回收器
JVM十种垃圾回收器
左边六个都基于分代模型，右边三个基于分区模型
左边六种回收器中，连虚线的可以配合使用，上面三个用于年轻代，下面三个用于老年代
Serial
Serial回收器是Java虚拟机中的一种垃圾回收器，它是最早也是最简单的一种垃圾回收器。Serial回收器主要用于单线程环境下的垃圾回收。
假设你，你女友，男友是三个线程，你们在房间里玩耍制造了不少的垃圾，屋里没地方了，这时候你妈妈（Serial）走了进来，说来你们哥儿仨靠墙角站好（STW：stop the world，业务线程完全停止），等我收拾完了再继续。
在JDK1.0版本，内存只有16M，这种方法还是很高效的，但是随着版本更新，内存越来越大，回收，业务停止的时间会非常长。这就是卡顿的来源。
Parallel Scavenge
Parallel Scavenge是一种并行垃圾回收器，适用于多核CPU环境下的垃圾回收。
随着JVM内存的增大，如果线程数过多，大量的资源被用于上下文切换，效率反而会变低。
CMS
CMS（Concurrent Mark Sweep）主要用于处理大型堆内存的垃圾回收。相比于传统的标记-清除算法，CMS算法具有更低的停顿时间，可以在不影响应用程序正常运行的情况下进行垃圾回收。
这就好比你和男友女友在屋里玩耍，这时你爸爸妈妈爷爷奶奶全都进来，你们仨一边玩他们一边清理。
CMS算法由JDK1.4诞生，至今还在被广泛使用，但CMS的缺点是需要实时跟踪程序的运行过程来判断哪些是垃圾，会占用一定的CPU资源。
三色标记算法
三色标记算法（Tricolor Marking Algorithm）是一种用于垃圾回收的算法，它是基于可达性分析的算法之一。该算法将对象分为三个颜色：白色、灰色和黑色，用于表示对象的可达性状态。
我们首先要理解：每一个垃圾回收线程都只是工作一小段时间，其他线程在它的基础上继续工作，扫过的对象不会再扫第二遍。
在三色标记算法中，初始时所有对象都被标记为白色，表示它们尚未被访问过。然后，从根对象开始，将其标记为灰色，表示它们正在被访问。接着，遍历灰色对象的引用，将其指向的对象标记为灰色，然后将灰色对象标记为黑色，表示它们已经被访问过。最后，所有剩余的白色对象都被认为是不可达的垃圾对象，可以被回收。
特殊情况
在回收线程扫描的同时，业务线程还在不停的给对象添加逻辑，就可能会出现没有遍历到的结点。所以说在第一遍垃圾回收时很有可能会有遗漏，但是问题不大，第二遍垃圾回收就可以给清掉了
如果在B与D断开的同时A与D产生了引用，此时由于A已经被标记为黑色，GC不会再扫描A，但此时D仍为白色，会被误清理掉。这种漏标问题的解决方案有两种
第一种是CMS的解决方案：Incremental Update
这种方案指的是，在整个程序的运行过程中，如果发现了一个被标记为黑色的对象的成员变量指向了白色对象，那么就把这个黑色变成灰色。这个操作由JVM自己完成。
这个CMS的解决方案看似完美，但是隐藏着一个严重的bug，这个bug导致CMS在JDK的任何一个版本都没有被设置为默认的垃圾回收器，我们来看看CMS的这个缺陷
CMS解决方案的缺陷
如图，假设现在A，B，D是白色，有一个垃圾回收线程m1正在标记A的时候，它标记A的时候已经标完A的第一个属性了，第二个属性还没标完 ，此时A的颜色是灰色，然后此时A把属性1指向了一个白色对象D。此时业务线程运行，A.1指向了B，B.1指向了null。我们的回收线程m1此时回到A，站在m1的角度，A.1已经标完了，再扫描完A.2之后，A就会被标为黑色，此时D被漏标。
要解决这个问题，CMS的remark阶段，也就是开始清理之前，必须从头再扫描一遍（此时需要STW）。
第二种是G1方案：SATB Snapshot At the Beginning
在B->D消失的时候，把该引用推到GC的堆栈。只要灰色对象指向白色对象的引用消失，就把该引用推到堆栈当中。当垃圾回收线程再次回来的时候，首先要在堆栈当中找，找出该白色对象看看此时是否有对象引用D （白色），如果没有，认定为垃圾，如果有，去扫描。
那么G1如何找到谁引用了D呢，这就归功于G1的一个内部处理机制：Rset
Rset
在G1中，堆被分为多个大小相等的区域（Region），每个区域可以是Eden、Survivor或Old区域。当一个对象从一个区域引用另一个区域的对象时，就会产生跨区域引用。
为了快速地进行垃圾回收，G1需要知道哪些区域之间存在跨区域引用。这个信息被记录在每个区域的RSet中。RSet是一个位图，它记录了当前区域中的对象引用了哪些其他区域的对象。当G1进行垃圾回收时，它会扫描每个区域的RSet，找到所有的跨区域引用，并将这些引用标记为灰色。
每个区间头部（大概10%~15%）有一张表格记录了有哪些区间的对象记录了这个区间的对象
实战操作
首先我们打开cmd，运行指令：java -XX:+PrintCommandLineFlags -version
这是一个Java命令，用于查看Java虚拟机的命令行参数和版本信息。该命令会输出Java虚拟机的命令行参数以及Java版本信息，包括Java版本号、Java虚拟机版本号、Java虚拟机的厂商信息等。
其中，java表示要执行的Java程序，-XX:+PrintCommandLineFlags表示要输出Java虚拟机的命令行参数，-version表示要输出Java版本信息。
InitialHeapSize:最小堆大小，MaxHeapSize:最大堆大小，UseCompressedPointers:使用压缩类指针，UseCompressedOops:使用压缩普通对象指针，UseG1GC:使用G1垃圾回收器。
GC常用参数：
以下是一些常用的Java虚拟机的垃圾回收参数：
-Xms：初始堆大小，指定Java虚拟机启动时堆的最小值。-Xmx：最大堆大小，指定Java虚拟机堆的最大值。-XX:NewSize：新生代大小，指定新生代的大小。-XX:MaxNewSize：最大新生代大小，指定新生代的最大大小。-XX:SurvivorRatio：新生代中Eden区域和Survivor区域的比例。-XX:MaxTenuringThreshold：对象晋升老年代的年龄。-XX:PermSize：永久代大小，指定永久代的大小。-XX:MaxPermSize：最大永久代大小，指定永久代的最大大小。-XX:+UseParallelGC：使用并行垃圾回收器。-XX:+UseConcMarkSweepGC：使用CMS垃圾回收器。-XX:+UseG1GC：使用G1垃圾回收器。-XX:+PrintGC：输出GC日志。-XX:+PrintGCDetails：输出详细的GC日志。-XX:+PrintGCDateStamps：输出GC日志的时间戳。-XX:+PrintHeapAtGC：在GC前后输出堆的使用情况。
G1常用参数
下面是一些G1垃圾回收器的常用参数：
-XX:+UseG1GC：启用G1垃圾回收器。-XX:G1HeapRegionSize=n：设置堆区域的大小，n的值为2的幂，范围为1MB到32MB，默认值为1MB。-XX:MaxGCPauseMillis=n：设置最大垃圾回收停顿时间，单位为毫秒，默认值为200毫秒。-XX:G1NewSizePercent=n：设置新生代大小占整个堆大小的百分比，默认值为5%。-XX:G1MaxNewSizePercent=n：设置新生代最大大小占整个堆大小的百分比，默认值为60%。-XX:ParallelGCThreads=n：设置并行垃圾回收线程数，默认值为与CPU核心数相同。
除了上述常用参数，G1垃圾回收器还有很多其他的参数可以配置，具体可以查看官方文档。
注意：G1不要指定年轻代大小，这是G1动态分配的。