GC

参考：

• 《深入理解 JVM&G1 GC》- 周明耀[略过 3、5、7 章]
• 《垃圾回收的算法与实现》

以 JVM 来说，JVM 的的实现是由 c/c艹实现的，众所周知Java 是不需要手动管理内存的，因为内存的分配和回收都是依靠底层的 c/c艹，对于 Java 是完全透明的。
GC 主要是算法上的事，分为可达性分析，内存的管理区域划分(内存分代)，内存的回收机制。
所有的GC 在进行 GC 时，都会进入一个 Stop The Word(STW) 的时刻。因为在 GC 的时候，如果内存还在变换的话，会影响 GC 回收。

Stop The Word：为了防止 GC 线程在进行垃圾回收的时候 mutator还在不断得生成垃圾，因此在进行 GC 的时候需要将 mutator 的线程挂起，这个时间也称为暂停时间。mutator 的线程在需要挂起的时候不会马上就挂起，会执行到该线程的 safepoint 才会进行挂起。等mutator 的所有线程都执行到 safepoint 并且挂起时，gc 线程就会开始工作。

下面整篇讨论的都是 JVM 的 GC。

• 虚拟机会单独运行一个线程专门用来 GC。
• HotSpot 虚拟机中，Java 的实例在内存中的布局分为对象头、实例数据、对齐填充。对象头包含实例在运行时的标记。如_mark(如哈希、GC 分代、锁标志)，_metadata(指向类元数据)。
• 内联:方法调用由方法体直接替换，避免开辟新的函数栈。
• 垃圾标记算法：
  • 计数算法：
    • 无法解决循环引用
  • 根搜索算法：
    • 根对象集合包括(Java 栈内对象引用、本地方法栈对象引用、运行时常量池对象引用、方法区类静态属性对象引用、类对象的 Class 对象)
    • 当一个对象要被回收的时候，会调用其 finalize()方法并且终身只调一次。如果在 finalize()中没有自救，则会被回收。jvm 会对热点代码进行本地编译，而jvm 启动的时候可以设置热点代码的阈值，当方法调用超过这个阈值，则会启动编译。可以猜测内部对于方法有一个方法执行的计数器。因此才可以确保 finalize()只调用一次。
• 比较常见的有标记-清除(Mark-Sweep)、复制(Copying)、标记-压缩(Mark-Compact)

  • 标记-清除。

    • collector 从 mutator 根对象开始遍历，对可访问对象的 header 标记为可达。随后对 heap 进行线性遍历，回收不可达对象。
    • 效率低下，容易产生内存碎片。

  • 复制。

    • 内存分为两块，每次保持一块空闲。会将另外一块存活对象复制到空闲块。清除正在使用的内存块对象。交换内存块角色。
    • 内存使用率折半。
    • 因为 JVM 绝大对象都是瞬时状态，生命周期非常短暂。Copying 广泛适用于年轻代。

  • 标记-压缩

    • 标记出垃圾对象后，将存活对象移动到规整联系的空间，执行 Full GC。此时已用和未用内存各自一边。分配对象时使用指针碰撞(Bump the Pointer)进行内存分配。

  • 增量算法(Incremental Collecting)

    • 为了减少 STW，GC 线程一次只收集一小片区域，与应用程序线程切换。反复进行。但是增加了线程切换和上下文转换消耗，造成吞吐量下降。

  • 分代收集算法(Generational Collection)

    • 将内存区间根据对象特点划分几块，根据每一块内存区的特点，选取不同的回收算法提供垃圾回收效率。
    • 一般讲对象分为年轻代、老年代、持久代。不同的生命周期对象使用不同的算法。

  • GC

    • GC 的工作任务分为内存的动态分配和垃圾回收。
    • 现在几乎所有的 GC 都采用分代手机算法。Java 堆分为年轻代(YoungGen)和老年代(OldGen)，年轻代又可以分为 Eden、From Survivor、To Survivor。
    • 内存空间如何划分完全依赖 GC 设计。
    • 评估 GC 的性能：吞吐量、垃圾收集开销、 暂停时间、收集频率、堆空间、快速

  • JVM 的 GC

    • Serial/Serial Old 收集器、ParNew 收集器、Parallel/Parallel Old 收集器、CMS(Concurrent-Mask-Sweep)收集器、G1(Garbage-First)收集器。
    • 分类
      • 按线程：串行 Collector 和并行 Collector。
      • 按工作模式：并发 Collector 和 独占式 Collector
      • 处理方式：压缩式 Collector 和非压缩式 Collector
      • 按工作内存区间：年轻代 Collector 和老年代 Collector

  • Serial GC(串行收集器)

    • 作用于年轻代，采用复制算法、串行回收和 STW机制。默认作为 HotSpot Client 模式下的年轻代 Collector
    • 还提供 Serial Old Collector 供老年代使用。使用标记-压缩、串行回收和 STW 机制
• ParNew GC
  • ParNew GC 是 Serial GC 的多线程版。
  • 采用并行回收，其余与 Serial GC 一致。
  • 单线程下，Serial GC 效率比 ParNew GC 效率高，因为后者需要线程切换
• Parallel GC
  • 采用复制算法、并行回收和 STW 机制。
  • 可以控制吞吐量，被称为吞吐量优先的垃圾收集器。并且可以控制 GC 执行频率和 STW 的暂停时间阈值。PS：在 GC 中，吞吐量和低延迟是矛盾的。
  • Parallel Old GC 采用标记-压缩算法、并行回收、STW机制。
  • 吞吐量优先的使用场景，可以使用 Parallel GC 和 Parallel Old GC 组合。
• CMS GC(Concurrent-Marking-Sweep)
  • 基于并行回收，老年代 GC。低延迟。采用标记-清除、STW 机制。
  • CMS 执行阶段：初始标记(Initial-Mark)、并发标记(Concurrent-Mark)、再次标记(Remark)、并发清除(Concurrent-Sweep)
    • STW -> initial-Mark - 恢复应用线程 ->并发标记(GC 线程与应用线程同时运行)(Concurrent-Mark) -> STW -> Remark -> Concurrent-Sweep
  • Serial Old GC 和 Parallel Old GC 使用标记-压缩避免 Full GC 产生碎片，然后使用指针碰撞(Bump the Pointer)分内新对象内存。CMS 使用标记-清除，因此只能选择空闲列表(Free List)执行内存分配。
  • CMS 可以设置 Full GC 后进行压缩整理，会增加停顿时间。也可以设置 N 次 Full GC 后进行压缩整理。
  • CMS与应用线程并发执行，相互抢占 CPU，因此会影响吞吐量。
  • 因为 CMS 在工作的时候，mutator 还在产生垃圾，而这些垃圾只能在下次 GC 清除。因此可能会造成本次 GC 失败，失败后将会启动 Serial Old GC 进行。
• Garbage First(G1) GC
  • G1 的核心在于将内存分为若干大小相等的 Region，每个 Region
    不指定分代，在运行时动态指定。并且内存回收管理以 Region 为单位。譬如某一 Region 前一刻是存储年轻代，当被回收后，后一刻可能就被用来存储老年代了。
  • 进行 GC 时，G1 计算每个 Old 内存活对象数量并且在 sweep 阶段进行评分。开始混合回收时，年轻代尽量回收，老年代根据评分选择性回收。
  • 每一个 Region 都有个一个 RemberedSet(RSet)，维护了其他 Region 对该 Region 中对象的引用。
  • 有一个 Collection Set(CSet)，包含了GC 要回收的 Region 的集合。
  • GC 的过程分为:初始标记阶段、根区间扫描阶段、并行标记阶段、重标记阶段、清除阶段