JVM垃圾回收

什么需要回收

如何判断对象是否已死？

• 引用计数法
  记录被引用的次数，当为0时就可以回收，确定会有循环依赖的问题，但是高效
• 可达性分析法
  通过GCRoot为根节点开始查找，能找到的为存活对象，否则为需要清理的对象
  GCRoot包括，虚拟机栈（局部变量表中引用的对象），方法区中类静态属性引用对象，方法区中常量引用对象，本地方法栈中引用对象（Native引用对象）

其他说明

• 方法区的回收判断条件比较苛刻
  该类所有对象都已经被回收
  类的加载器已经被回收
  类对应的Class对象没有任何地方被访问，没有被反射访问
• 枚举根节点
  可达性分享中寻找GCRoot会特别难，比如只是扫描方法区可能就数百兆。所以需要记录枚举根节点。在HotSpot的实现使用OopMap数据结构来存储，每次类加载完成后放入OopMap中GC的时候就可以直接使用
• 安全区
  为了解决每一条指令都放入OopMap中可能导致空间太大，所以引入安全区的概念，当GC发生时所有线程都执行到安全区然后标示自己已经进入safeRegion，当出去时要判断是否已经完成根节点的枚举（或整个GC过程）

垃圾回收算法

标记清除法

• 分为标记和清除两步，先标记需要回收对象，然后进行清除
• 问题：效率慢，会产生大量不连续的内存碎片

复制算法

• 将空间划分使用和未使用的，每次清理的时候将存活对象存入未使用区域，然后直接清除已使用的区域
• 问题：存活率高时，会造成效率变低。会造成内存的浪费。（新生代使用的回收算法）

标记整理法

• 将存活的对象向一端移动，最后清除掉其他区域
• 问题：效率慢

分代收集算法

• 将内存划分代，根据各个代的特点使用不同的回收算法，如：新生代使用复制算法，老年代使用标记清除

垃圾回收器

连线代表可以一块使用

作用于新生代的垃圾回收器有：Serial，ParNew，Parallel Scavenge
作用于老年代的垃圾回收器有：CMS，Serial Old， Parallel Old
G1收集器即可以作用于新生代又可以作用域老年代

• Serial收集器
  所有线程跑到安全区后暂停，开启单线程进行清理。清理完成后线程开始执行，采用复制算法
• ParNew收集器
  Serial收集器多线程版本，清理是开启多线程
• Parallel Scavenge收集器
  Parallel Scavenge收集器也是新生代收，复制算法、多线程收集器。于ParNew不同的是关注的是一个可控制的吞吐量，可以设置最大垃圾收集停顿时间以及直接设置吞吐量大小
• Serial Old收集器
  老年代的收集器，采用标记整理的算法。主要在Client模式下的虚拟机使用
• Parallel Old收集器
  是Parallel Scavenge老年代版本，采用标记整理的算法，只能和新生代的Parallel Scavenge收集器共同使用

• CMS收集器

  
  
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CMS是以获取最短停顿时间为目标的收集器，采用标记-清除的算法，分为4步：初始标记-》并发标记-》重新标记-》并发清除
初始标记：标记GCRoot。很快，但需要STW
并发标记：通过初始标记的GCRoot去追踪标记内存中的对象，和用户线程一块跑（耗时较长）
重新标记：修正在在并发标记有变动的部分，停顿时间比初始标记长但远比并发标记短，需要STW
并发清除：和用户线程一块进行清除垃圾数据
问题：会有碎片，对CPU要求高只有一个CPU的话性能反而会低，产生浮动垃圾（就是清理的时候又产生了垃圾）

• G1收集器

  
  
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G1一个Region的大小可以通过参数-XX:G1HeapRegionSize设定取值范围从1M到32M，且是2的指数。如果不设定，那么G1会根据Heap大小自动决定,内存大小/2048

初始标记(initial mark，STW）

初始标记只是标记一下 GC Roots 能直接关联的对象，速度很快，仍然需要暂停所有的工作线程（STW）

与CMS相同标记使用三色标记

• 白：对象没有被标记到，标记阶段结束后，会被当做垃圾回收掉。
• 灰：对象被标记了，但是它的field还没有被标记或标记完。
• 黑：对象被标记了，且它的所有field也被标记完了。

并发标记(Concurrent Marking)，不需要STW

从GC Roots开始对堆的对象进行可达性分析，递归扫描整个堆里的对象图，找出存活的对象，这阶段耗时较长，但是可以与用户程序并发执行。
当对象图扫描完成以后，还要重新处理SATB记录下的在并发时有引用变动的对象。

最终标记(Remark，STW)

对用户线程做另一个短暂的暂停，用于处理并发阶段结束后仍遗留下来的最后那少量的 SATB 记录

筛选回收(Cleanup，STW)

这个过程是和CMS不同的，CMS并发清理是和用户线程并发执行的。而G1的筛选回收是Stop The World的，对各个 Region 的回收价值和成本进行排序，根据用户所期望的停顿时间来制定回收计划（可预测停顿），G1从整体来看是基于“标记整理”算法实现的收集器;从局部 上来看是基于“复制”算法实现的

为什么需要最终标记，为什么最终标记需要STW？

在并发标记时由于用户线程还在跑所以又可能，将对象的引用修改，比如
A->B,C->D，如果标记线程把A和B都标记完了（A和B都成了黑色节点），此时用户线程B指向了D，这个时候，D就会是白色，在清理的时候就会被回收，但D时存活对象

这种情况发生的前提是：

• Mutator赋予一个黑对象该白对象的引用。
• Mutator删除了所有从灰对象到该白对象的直接或者间接引用

对于CMS的的处理是在修改引用时将修改的对象标记为灰色，这样就在重新标记的时候就可以标记到不会错误的清理，对于G1来说是通过记录修改的引用，在重新标记时再处理

CMS是基于增量更新来做并发标记的，G1则采用的是原始快照的方式

增量更新用的是写后屏障(Post-Write Barrier)，记录了所有新增的引用关系，原始快照用的是写前屏障(Pre-Write Barrier)，将所有即将被删除的引用关系的旧引用记录下来

垃圾回收时，用户线程新增对象和修改对象时如何保证回收正常

新增对象

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• 每个region有两个指针，bottom和top，代表region已经使用的空间
• 初始标记时每个region中会有两个指针prevTAMS和nextTAMS，指向region此次垃圾回收时region使用空间（prevTAMS=bottom，nextTAMS=top）
• 新增对象时，只会在nextTAMS之后的空间分配，此时top的指针会后移，nextTAMS不会动
• 垃圾回收时只标记prevTAMS到topTAMS的空间的数据，会有一个bitMap去记录哪些空间在使用

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修改对象引用

就是原始快照（STAB）加写前屏障（Pre-Wirte Barrier）工作的部分。
当 GC 线程扫描完对象图后，还需要重新处理 STAB 记录下的在并发时有引用变动的对象

为什么CMS停顿时间长？

CMS采用标记清理的垃圾回收策略，会产生大量的内存碎片，在分配大对象时，内存充足但是都是碎片的时候会触发内存整理导致STW时间较长，而G1通过region的复制不产生碎片，同时预测碎片的回收时间来达到可预测的STW

在标记时用户线程创建的新对象怎么处理？

在标记时，创建新对象后，由于GCRoot没有在扫描的集合里，所以节点是白色的，垃圾收集器应该如何处理？

什么情况下应该考虑使用G1

• 实时数据占用超过一半的堆空间
• 对象分配或者晋升的速度变化大
• 希望消除长时间的GC停顿（超过0.5-1秒）

G1垃圾收集分为三种：一种是YoungGC，一种是MixedGC，另一种是Full GC

YoungGC

YoungGC就是MinorGC，原来的垃圾收集器都是Eden区放满了就出MinorGC，但是G1有所不同。之前说过，新生代占整个内存的5%，Eden区和Survivor的比例是8：1：1，不到5%。假如这些空间全部都放满了，会怎么样呢？是不是就立刻触发MinorGC了呢？不是的。那么何时触发minorGC呢？触发MinorGC的时间和-XX:MaxGCPauseMillis参数的值有关系。假如-XX:MaxGCPauseMillis=200ms，G1会计算回收这5%的空间耗时是不是接近200ms，如果是，那么就会触发MinorGC。如果不是，假如只有50ms，远远低于200ms，那么就不会触发MinorGC，他会把新的对象放到新的没有被占用的Region区中。直到Eden园区回收的时间接近200ms了，这时才会触发MinorGC。这就是刚开始新生代设置的空间是5%，但是在实际运行的过程中，很可能会超过5%，最大不能超过60%，60%是默认值，这个值可以通过“-XX:G1MaxNewSizePercent”参数调整。

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YoungGC并不是说现有的Eden区放满了就会马上触发，G1会计算下现在Eden区回收大概要多久时间，如果回收时间远远小于参数 -XX:MaxGCPauseMills 设定的值，那么增加年轻代的region，继续给新对象存放，不会马上做Young GC，直到下一次Eden区放满，G1计算回收时间接近参数 -XX:MaxGCPauseMills 设定的值，那么就会触发Young GC 。

MixedGC

MixedGC和之前的FullGC优点相似，但他不是Full GC。G1有专门的Full GC。当老年代的堆占有率达到参数(-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent)设定的值时则触发Mixed GC。回收时会回收所有的 Young区和部分Old区以及大对象区。为什么是一部分的Old区呢？它会根据GC的最大停顿时间来计算最高效益比，来确定old区垃圾收集的先后顺序。

正常情况G1的垃圾收集是先做 MixedGC，主要使用复制算法，需要把各个region中存活的对象拷贝到别的region里去，拷贝过程中如果发现没有足够 的空region能够承载拷贝对象就会触发一次Full GC.

Full GC

Mixed GC不是full GC，它只能回收部分老年代的Region，如果mixed GC实在无法跟上程序分配内存的速度，导致老年代填满无法继续进行Mixed GC，就会使用serial old GC（full GC）来收集整个GC heap。所以我们可以知道，G1是不提供full GC的

什么时候会触发Full GC呢？

在老年代，需要把region中存活的对象拷贝到别的region中去的时候，拷贝过程中发现没有足够的空region能够承载的拷贝对象了，就会触发Full GC。举个例子：假如MixedGC触发的条件-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=45%，而剩余50%的空间被新生代占了。那么还剩5%的空间。当-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent的值达到了45%，触发MixedGC的时候，这个时候需要复制老年代对象到新的未被占用的Region区，很显然这时没有足够的Region区，这时会触发Full GC。