Java程序进阶课程学习（四）

写在前面

在上一部分的学习中，我们对 JVM 的基础概念、JVM运行时内存、类加载机制有了基本的了解。
下面我们开始对于 JVM 的重点----GC，来进行学习。

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6.5 GC中，如何判断对象存活、对象引用

什么是垃圾

很好理解，当一个对象没有引用指向他的时候，他就是垃圾。

判断对象是否存活的算法

为了判断一个对象是否存活，有多种算法。

引用计数算法

顾名思义，对一个对象，我们统计其引用的个数，进行计数。当引用次数为0的时候，即可以判断他变成垃圾了。
引用计数器算法很直观，也很简单。但是并没有在 Java 中使用，因为其不能解决 对象间循环引用 的问题。

//  如果使用引用计数算法，GC无法回收循环引用的情况
ObjA.instance = ObjB
ObjB.instance = ObjA

可达性分析算法（根搜索算法）

既然引用搜索算法无法满足要求，那么 java 就采用了另外一种算法----可达性分析算法。
可达性分析算法中，从根节点GC ROOT 出发，向下搜索引用链，对象如果不可被搜索到（不可达），就是垃圾。
那么什么样的对象可以看做是 GC ROOT 节点呢？

• 栈中引用的对象（局部对象）
• 方法区中类静态属性引用的对象
• 方法区中的常量引用的对象
• 本地方法栈引用的对象

总结一下，栈和方法区引用的对象。
两个栈（JVM栈和本地方法栈）引用的对象，方法区中 类静态属性、常量 引用的对象

再谈对象引用

这里判断对象是否存活，都是跟 “引用” 息息相关的。而传统意义上的引用，就只有被引用，和没有被引用两种状态。
而很多时候我们需要描述一些，内存空间足够则保留，内存不够则抛弃的对象，则需要多种的引用形式。
Java中同样给出了多种引用形式，下面列出来的引用依次变弱。

• 强引用
  就是传统意义上理解的引用。 Object obj = new Object() 这种引用。只要强引用存在，就一定不会回收
• 软引用
  软引用用来描述 有用，非必须的元素
  GC第一次收集之后，软引用对象存在。但是如果内存还是不够（要内存溢出），则会触发GC第二次回收，此时，软引用对象就会被回收。

这里给一个应用场景来理解一下：
我们要实现一个缓存的功能，当内存足够的时候，通过一个软引用对象来取值，而不是直接从繁忙的真实数据来源来取值。内存是在不够了，这个软引用对象被回收，再从数据来源来直接取值。

• 弱引用
  弱引用描述 非必须的对象。
  弱引用的对象，在下一次垃圾GC时候被回收。弱引用主要用来监控对象是否已经被GC标记为即将回收（下一次GC）的垃圾。弱引用的 isEnQueued() 方法就可以返回该对象是否要被下次回收。
• 虚引用
  唯一目的，就是在对象被GC回收时候，收到一个系统通知。

后面三者都有自己对应的实现类。 SoftReference/ WeakReference/ PhantomReference 类。

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6.6 分代垃圾回收

上面一小节我们了解了对于一个对象，JVM是如何判断其是否已经变成垃圾了。那么变成垃圾之后呢？当然是要 GC 了。
目前的垃圾回收，核心都是分代垃圾回收机制。要理解分代回收机制。首先就要明白分代对于内存的划分。
这一部分在下面一小节对于 分代收集算法中，有详细的解释。

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6.7 典型的垃圾收集算法

在上面一小节“分代垃圾回收”的基本思想指导下，我们来学习一下目前典型的垃圾收集算法。

mark-sweep标记清除算法

mark-sweep算法是最简单直接的垃圾收集算法，分为两个阶段：标记 + 清除。即标记出需要被回收的对象，再清除对象所占用的空间。

• 优点：实现简单。
• 缺点：容易产生内存碎片。
  可能会导致大对象分配内存空间时，触发新一轮的GC。

Copying复制算法

将内存一分为二，只用一半。当这一半用完之后，将存活的对象放到另外一半，把这一半清除掉。

这么理解吧，有点类似于缓存的思想。

• 优点：没有内存碎片
• 缺点：内存只有一半。如果存活对象多的话，效率很低

Mark-Compact 标记整理算法

跟 mark-sweep 很类似。先标记，再把存活对象移动到一端，清理掉端边界以外的内存。

Generational Collection 分代收集算法

分代收集算法，比上面的三种GC算法复杂一点。
核心思想是：根据对象存活的生命周期，把内存进行划分。将heap堆分为老年代（Tenured Generation）和新生代（Young Generation）。老年代的特点是，每次GC时候，只有少量的对象需要被回收，新生代则是大量的对象。

新生代采用 Copying 算法，因为要回收的对象很多，存活的对象不多。新生代 = 1较大Eden + 2较小Survivor。 一般只使用一个Eden和Survivor。回收时候，将 Eden 和 Survivor存活的对象，复制到另外一个 Survivor，再清空前者。
那么基于对内存的划分，就可以在不同的内存区域，采用合适的GC算法。

对于老年代，采用 Mark-Compact 算法。
这里需要注意以下几个点：
MinorGC: 清理年轻代。 Major GC：清理老年代。FullGC：清理整个堆空间。

1. 对象优先在 Eden 分配：
   对象优先在 Eden 区域分配。当 Eden 没有足够空间，虚拟机进行一次 Minor GC
2. 大对象直接进入老年代
   为了避免 Eden 区和两个 Survivor 区的频繁内存复制，大对象直接进入老年代。
3. 长期存活的对象进入老年代
   对象再 Eden 中出生，经过一次 Minor GC 后仍存活，被 Survivor接纳，其年龄被设为1，在 Survivor区每经历一个 Minor GC，年龄++，年龄增长到一定值，会被放到老年代中。
4. 动态对象年龄判定
   并不是一定要满足3中年龄达到阈值的情况，对象才可以进入老年代。
   同年龄对象 总和 超过 survivor 空间内存的一半，这些对象就会进入老年代。
5. 空间分配担保
   首先，这里是有一个设置HandlePromotionFailure，来设定是否允许老年代来进行担保。
   其次，这里的担保，是指 在 MinorGC 时候，可能遇到一个 Survivor 空间不够用（年轻代中存活对象很多，极端就是都存活）。这时候就需要老年代借用空间给年轻代，这就是担保。
   而担保的前提是，老年代的空间也要够，但是实际上老年代并不知道这一次 MinorGC会存活多少对象，需要多少内存，所以就取一个之前每次均值作为比较对象，如果老年代现存对象比这个均值还要小，那么就需要执行 MajorGC 为年轻代腾出空间，做担保。

跟内存空间联系起来：堆空间 heap 被分为年轻代和老年代。年轻代又分为 eden + 2 survivor

上面说了新生代和老年代，都是在 heap 中的。实际上，在heap 之外还有一个永久代 Permanent Generation（就是方法区non-heap，在 HotSpot虚拟机中叫做永久代），存储 class 类、常量、方法描述等。对永久代的回收主要是回收 废弃常量、无用的类

可以看到，永久代回收的东西已经不是对象了，而是类和常量。那自然也就不在 heap 中了。

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6.8 垃圾收集器

前面一个小节我们介绍了GC算法，那么这一个小节会聚焦于GC的具体实现----垃圾收集器。
首先是一张整体的图

垃圾收集器全家桶

Serial/

• 单线程。
• 新生代，Copying
• 简单高效；但是会给用户带来停顿。

因为没有线程间交互的开销，所以可以简单高效的进行垃圾收集，对于 Client 模式下的虚拟机是首选。一般是使用 Serial（新生代垃圾收集） + Serial Old（老年代垃圾收集）

ParNew

• Serial 的多线程版本。（二者的实现绝大部分都相同）

对于 Server 模式下的虚拟机是首选。因为除了 Serial之外，只有 ParNew 可以配合 CMS 收集器，实现并发收集（一边收集一边产生垃圾）。

Parallel Scavenge (平行捡破烂)

• 新生代，Copying。
• 多线程（并行收集）

目的：达到可控的吞吐量 ，高效利用CPU时间，尽快完成程序运算任务。
吞吐量：

其他的收集器，基本都是关注于，缩短垃圾回收带来的停顿时间，而 Parallel Scavenge 则关注于吞吐量。
停顿时间给交互带来了阻碍，而吞吐量则直接影响计算性能（CPU利用率）。所以 Parallel Scavenge 适合于用在后台运行，交互不多的任务

Serial Old 收集器

Serial 的老年代版本

• 单线程
• 老年代，Mark-Compact 标记整理算法。

也是主要用于 Client 模式下的虚拟机。跟前面说的一样。

Parallel Old

• Parallel Scavenge 老年代版本，Mark-Compact 标记整理算法

在注意吞吐量和CPU利用率时，Parallel Scavenge + Parallel Old。

CMS(Concurrent Mark Sweep)

目的：最短的垃圾收集停顿时间。所以一般用在网站服务器上，因为一般用户要求服务器获得最快的响应。

• 并发
• 老年代，标记清除（所有老年代中，唯一一个使用标记清除的）

下面主要了解一下，其垃圾回收的过程。分为4步：初始标记、并发标记、重新标记、并发清除

1. 初始标记（initial mark）
   标记GC ROOT能直接关联到的对象，速度很快。会停顿
2. 并发标记（concurrent mark）
   GC ROOT Tracing 的过程，是最耗时的。（是并发执行的，用户线程不停止，所以叫并发标记）
3. 重新标记（remark）
   标记步骤2期间，程序继续执行产生变动的对象的记录。会停顿较长时间
4. 并发清除（concurrent sweep）

并发标记、并发清除的 并发 是指垃圾处理进程和用户进程并发进行。初始标记、重新标记这里的并发，是指多个垃圾回收进程同时进行，而此时用户进程是暂停的。

优点：并发收集、低停顿
缺点：

• CMS收集器 对 CPU资源非常敏感。其实只要涉及并发设计的程序，都会对CPU资源敏感。在CPU数量较少的时候，整体性能被拖慢很多。
• CMS收集器 无法处理浮动垃圾。在并发清除时候，用户线程还是在运行，这时候产生的垃圾不会在本次垃圾回收被处理，称为浮动垃圾。
• CMS 空间碎片。由于采用 标记清除算法，会产生内存碎片，引发 新的垃圾收集。
• Concurrent Mode Failure 采用 SerialOld 作为老年代备用。

G1（Garbage First）

面向 服务端 应用的。标记整理算法。

G1 收集器将堆内存划分为一个个Region。同时维护了各个 Region垃圾堆积价值列表，优先回收价值大，代价小的 Region。
同时，为了避免全堆扫描，每一个 Region 都有一个对应的 Remembered Set。这个 Remembered Set 记录引用对象的信息，从而只要通过 Remembered Set 就可以找到相关对象，不用全堆扫描也不会遗漏。

• 并行与并发：利用多cpu缩短 stop-the-world停顿时间
• 分代收集：G1收集器同时运行于 新生代和老年代
• 空间整合：没有内存碎片
• 可预测的停顿：由于优先回收机制的存在，可以预测停顿时间。

垃圾回收的过程总结为：

1. 初始标记
   跟 CMS一样，先标记 GC ROOT 直接相关的对象。
2. 并发标记
   GC ROOT Tracing过程，并发执行。
3. 最终标记
   跟 CMS 一样
4. 筛选回收
   根据维护的回收价值列表，来优先回收。

可以看出，跟CMS来比，除了最后一步，都一样。

总结一下：

1. 串行、并行、并发：

• 串行：Serial & Serial Old
• 并行：ParNew & Parallel Scavenge & Para Old
• 并发：CMS & G1

2. 吞吐量优先和停顿时间优先

• 吞吐量优先：Para Scavenge & Para Old
• 停顿时间优先：CMS

client 模式： Serial + SerialOld
server 模式：ParNew + CMS
低交互模式：Para Scavenge + ParaOld

更加详细的垃圾回收器的整理