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前言
- 垃圾回收机制（Garbage Collection，GC） Java 虚拟机的重要特性之一，同时也是面试重要考点之一。在实践中，由于 GC 会占用程序运行资源，欲进行更有深度的内存性能优化也需要对垃圾回收机制有一定理解；
- 在这篇文章里，我将系统分析 Java 垃圾回收机制 & 主流的垃圾回收算法。如果能帮上忙，请务必点赞加关注，这真的对我非常重要。
系列文章
目录
1. 概述
1.1 什么是垃圾回收？
垃圾回收（Garbage Collection，GC） 是一种自动的内存管理机制，即：当内存中的对象不再需要时，就自动释放以让出存储空间。
-
优势： 不再需要为每一个 new 操作编写对应的 delete / free 操作，不容易出现内存泄漏和内存溢出问题；
-
风险： 垃圾回收程序本身也占用资源（CPU 资源 / 额外内存），有时还会阻塞 Java 程序的执行。
在讨论垃圾回收机制的时候，需要讨论的以下三个问题，你可以带着这三个问题阅读后面的内容，思路会更清晰。
- 触发时机： 什么时候触发 GC？
- 收集： 哪些对象 / 区域需要回收？
- 回收： 如何回收？
1.2 GC 相关概念
这一节，我们先罗列一些 GC 相关知识中比较重要的概念：
| 概念 | 描述 |
|---|---|
| collector | 表示程序中负责垃圾回收的模块 |
| mutator | 表示程序中除了 collector 以外的模块 |
| 增量式回收 （Incremental Collection） |
每次 GC 只针对堆的一部分，而不是整个堆，大幅减少了停顿时间 |
| 分代回收 （Generational GC） |
增量式回收的实现方式之一，将堆分为新生代、老生代和永生代等部分，每次 GC 往往只针对其中一代 |
| 并行回收 （Parallel Collection） |
collector 中有多个垃圾回收线程 |
| 并发回收 （Concurrent Collection） |
指垃圾回收工作的某个阶段，collector 线程和 mutator 可以同时执行。这样避免了 collector 线程工作时需要暂停 mutator 线程（stop-the-world） |
1.3 JVM 运行时数据区域简介
根据《Java虚拟机规范》的规定，Java虚拟机所管理的内存将会包括以下区域：
| 区域 | 线程独占 | 描述 |
|---|---|---|
| 程序计数寄存器 （Program Counter Register） |
独占 | 存储下一条字节码指令的内存地址 |
| Java 虚拟机栈 （Java Virtual MachineStack） |
独占 | 存储线程栈帧（Stack Frame ） 栈帧包含：局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息 |
| 本地方法栈（Native Method Stacks） | 独占 | 存储本地方法栈帧 |
| Java 堆（Java Heap） | 共享 | 大多数对象的存储区域 |
| 方法区（Method Area） | 共享 | 存储类型信息、常量、类静态变量、即使编译器编译后的代码缓存等 |
1.4 垃圾回收管理的区域
并不是 Java 虚拟机管理的所有区域都需要垃圾回收，线程独占的区域会随着线程结束而销毁，不需要垃圾回收。因此垃圾回收机制需要管理的区域是：
-
堆： 垃圾对象；
-
方法区： 废弃的常量和不再使用的类型。
1.5 GC 算法性能指标
在介绍垃圾回收算法之前，我们先来定义评价垃圾回收方法的性能指标：
| 指标 | 定义 | 描述 |
|---|---|---|
| 吞吐量（throughput） | 指单位时间内的处理能力 | |
| 最大暂停时间（pause time） | 指因执行 GC 而暂停执行程序的最长时间 | / |
| 堆利用率（space overhead） | 指有效使用的堆空间占整个堆的比例 | 影响因素：对象头大小 + 回收算法 |
| 访问局部性 | 指回收方法是否倾向于访问局部内存 | 访问局部内存更容易命中 CPU 缓存行 |
提示： 若不理解 “访问局部性” 的概念，可联想快速排序和堆排序的性能对比，前者的访问局部性更优。
2. 如何判定垃圾对象？
判断对象是否为垃圾对象的方法可以分为两种：引用计数 & 可达性分析。以判断方法为划分，后文所讲的垃圾回收算法也可以划分为 引用计数式 & 追踪式 两大类。
2.1 引用计数算法（Reference Counting）
在分配对象时，会额外为对象分配一段空间，用于记录指向该对象的引用个数。如果有一个新的引用指向该对象，则计数器加 1；当一个引用不再指向该对象，则计数器减 1 。当计数器的值为 0 时，则该对象为垃圾对象。
- 优点：
1、及时性：当对象变成垃圾后，程序可以立刻感知，马上回收；而在可达性分析算法中，直到执行 GC 才能感知；
2、增量回收：GC 可与应用交替运行，最大暂停时间短。
- 缺点：
1、计数器值更新频繁：大多数情况下，对象的引用状态会频繁更新，更新计数器值的任务会变得繁重；
2、堆利用率降低：计数器至少占用 32 位空间（取决于机器位数），导致堆的利用率降低；
3、实现复杂；
4、（致命缺陷）无法回收循环引用对象。
易错： 引用计数法是算法简单，实现较难。
2.2 可达性分析算法（Reachability Analysis）
从 GC 根节点（GC Root）为起点，根据引用关系形成引用链。当一个对象存在到 GC Root 的引用链，则为存活对象，否则为垃圾对象。
- GC Root：
在 Java 中，GC Root 包括以下几种：
1、Java 虚拟机栈中引用的对象（即栈帧中的本地变量表）；
2、本地方法栈中引用的对象；
3、方法区中类静态变量引用的对象；
4、方法区常量池中引用的对象。
- 优点：
1、可回收循环引用对象；
2、实现简单。
- 缺点：
1、最大停顿时间长：在 GC 期间，整个应用停顿（stop-the-world，STW）；
2、回收不及时：直到执行 GC 才能感知垃圾对象；
2.3 小结
| 判定方法 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|
| 引用计数 | 1、及时性 2、增量回收 |
1、计数器值更新频繁 2、堆利用率降低 3、实现复杂 4、无法回收循环引用对象 |
| 可达性分析 | 1、可回收循环引用对象 2、实现简单 |
1、最大停顿时间长 2、回收不及时 |
由于引用计数式 GC 存在「无法回收循环引用对象」 的致命缺陷，工业实现上还是追踪式 GC 占据了主流，后面我主要介绍的也是追踪式 GC。
3. 垃圾回收算法
从原理上，垃圾回收算法可以分为以下四类基础算法，其它的垃圾回收算法其实是对基础算法的改进或组合。
| 时间 | 早期提出者 | 算法 | 类别 |
|---|---|---|---|
| 1960年 | Lisp 之父 John McCarthy | 标记 - 清理算法 | 追踪式 |
| 1960年 | George E. Collins | 引用计数算法 | 引用计数式 |
| 1969年 | Fenichel | 复制算法 | 追踪式 |
| 1974年 | Edward Lueders | 标记 - 整理算法 | 追踪式 |
3.1 标记 - 清理算法（Mark-Sweep Collection）
https://mp.weixin.qq.com/s/iklfWLmSD4XMAKmFcffp9g
标记 - 清理算法的回收过程主要分为两个阶段：
-
标记（Mark）阶段：遍历整个堆，标记出垃圾对象（也可以标记存活对象）；
-
清理（Sweep）阶段： 遍历整个堆，将垃圾对象分块链接空闲列表。
-
优点： 实现简单；
-
缺点：
1、执行效率不稳定：Java 堆中对象越多，标记和清理的过程可能会越耗时；2、内存碎片化（fragmentation）：回收过程会逐渐产生很多不连续的小内存，当小内存不足以分配对象内存时，又会触发一次垃圾回收动作（GC for Alloc）。
4. 引用计数算法（Reference Counting）
5. 复制算法（Copying Collection）
复制算法的回收过程要点如下：
1、将堆分为大小相同的两个空间：fromspace & tospace，对象的内存分配只使用 fromspace；
2、当 fromspace 占满时，将存活对象全部复制到 tospace。复制完成后互换 fromspace 和 tospace 的指针；
3、注意，这个过程不需要标记。
- 优点：
1、快速分配对象：空闲分块是一个连续内存空间，不需要向标记-清理算法那样遍历空闲列表；
2、避免内存碎片化：存活对象和新分配对象都被压缩到 tospace 的一端，避免出现很多不连续的小内存。
- 缺点：
1、堆利用率低：把堆做二等分只能利用其中的一半，堆利用率最高仅为 50 %（第 节 改进）。
6. 标记 - 整理算法（Mark-Compact Collection）
标记 - 整理算法的回收过程主要分为两个阶段：
-
标记（Mark）阶段： 遍历整个堆，标记出垃圾对象（这个步骤与标记 - 清理算法相同）；
-
整理（Compact）阶段： 将所有存活对象移动（压缩）到堆的一端，然后直接清理掉边界以外的内存。
标记-清除算法与标记-整理算法的本质差异在于是否移动对象，前者是非移动式的，后者是移动式的。
- 优点：
1、避免内存碎片化，堆利用率高，吞吐量更高；
2、快速分配对象：空闲分块是一个连续内存空间，不需要向标记-清理算法那样遍历空闲列表；
- 缺点：
1、移动对象比清理对象更耗时，导致 GC 停顿时间（Stop-the-world）时间更长。
7.
8. 总结
| 回收算法 | 优点 | 缺点 |
|---|
| 参考资料 | 作者 |
|---|---|
| 《调试 ART 垃圾回收》 | Android Developers |
| 《深入理解Android：Java虚拟机 ART》（第 14 章） | 邓凡平 |
| 《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践（第3版）》（第 2、3 章） | 周志明 |
| 《垃圾回收的算法与实现》 | [日] 中村成洋，[日] 相川光 |
| 《Android 移动性能实战》（第 2 章） | 腾讯 SNG 专项测试团队 |
| 《Dalvik 与 ART 虚拟机的GC调试日志》 | Gityuan（字节跳动） |
| 《咱们从头到尾说一次 Java 垃圾回收》 | 聂晓龙（阿里巴巴） |
| 《垃圾回收算法是如何设计的？》 | 齐光（阿里巴巴） |
| 《垃圾回收器是如何演进的？》 | 齐光（阿里巴巴） |
| 《支付宝客户端架构解析：Android 客户端启动速度优化之「垃圾回收」》 | 入弦（阿里巴巴） |
| 《美团对 Java 新一代垃圾回收器 ZGC 的探索与实践》 | 王东、王伟（美团） |
| 《Android上的 ART 虚拟机》 | 强波（华为） |
| 《Android上的 Dalvik 虚拟机》 | 强波（华为） |
https://paul.pub/android-java-vm/
应用与系统稳定性第六篇---JVM垃圾回收之finalize执行时引起timed out 闪退分析
Android ART 并行拷贝垃圾回收
Android上的Dalvik虚拟机
Android上的ART虚拟机
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