1. 什么是garbage垃圾？

没有任何引用指向的一个对象或者多个对象（循环引用），就是垃圾

1.1 Java与C++对于垃圾处理的区别

• Java
  GC处理垃圾
  开发效率高，执行效率低
• C++
  手动处理垃圾
  忘记回收 -> 会导致内存泄漏
  回收多次 -> 会造成非法访问
  开发效率低，执行效率高

2. 怎么定位垃圾

Java堆中存放着几乎所有的对象实例，垃圾回收器在堆进行垃圾回收前，首先要判断这些对象那些还存活，哪些成为了”垃圾“。定位“垃圾”有如下算法：
（1）引用计数法（ReferenceCount）
（2）根可达算法(RootSearching)

2.1 引用计数法（ReferenceCount）

引用计数法描述的算法为：给对象增加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器就+1；当引用失效时，计数器就-1；任何时刻计数器为0的对象就是不能再被使用的，成为“垃圾”。

引用计数法实现简单，判定效率也比较高，在大部分情况下都是一个比较好的算法。比如Python语言就是采用的引用计数法来进行内存管理的。

但是，在主流的JVM中没有选用引用计数法来管理内存，最主要的原因是 引用计数法无法解决对象的循环引用问题。

2.2 根可达算法(RootSearching)

Java并不采用引用计数法来判断对象是否已成为“垃圾”，而采用“根可达算法”来判断对象是否存活（同样采用此法的还有C#、Lisp-最早的一门采用动态内存分配的语言）。

此算法的核心思想：通过一系列称为“GC roots”的对象作为起始点，从这些节点开始向下搜索，搜索走过的路径称为“引用链”，当一个对象到 GC roots 没有任何的引用链相连时(从 GC roots 到这个对象不可达)时，证明此对象不可用，是垃圾。

哪些实例可以作为GC roots?

• JVM stack Java 虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）引用的对象
• native method stack 本地方法栈中引用的对象
• run-time constant 运行时常量池
• static references in method area 方法区中静态变量引用的对象

如图:

Root Searching.png

3. GC Algorithms 垃圾回收算法

对存活对象和垃圾对象进行区分之后就需要进行回收了，垃圾回收算法有以下3种：

• Mark-Sweep （标记清除）
• Copying（复制）
• Mark-Compact（标记压缩 或 标记整理）

3.1 Mark-Sweep （标记清除）

“标记清除”算法是最基础的回收算法。算法分为标记和清除两个阶段：首先标记出所有需要回收的对象，在标记完成后统一回收所有被标记的对象(标记过程使用根可达算法)。后续的回收算法都是基于这种思路并对其不足加以改进而已。

“标记清除”算法的不足主要有两个：

• 效率问题：标记和清除这两个过程的效率都不高
• 空间问题：标记清除后会产生大量不连续的内存碎片，空间碎片太多可能会导致以后在程序运行中需要分配较大对象时，无法找到足够连续内存而不得不提前触发另一次垃圾回收。

标记清除算法.png

3.2 Copying（复制）

“复制”算法是为了解决“标记清除”的效率问题。它将可用内存按容量划分为大小相等的两块，每次只使用其中一块。当这块内存需要进行垃圾回收时，会将此区域还存活着的对象复制到另一块上面，然后再把已经使用过的内存区域一次清理掉。这样做的好处是每次都是对整个半区进行内存回收，内存分配时也就不需要考虑内存碎片等的复杂情况，只需要移动堆顶指针，按顺序分配即可。

此算法实现简单，运行高效；不足之处是占用内存多。

复制算法.png

3.3 Mark-Compact（标记压缩）

复制回收算法在对象存活率较高时会进行比较多的复制操作，效率会变低。因此在老年代一般不能使用复制算法。

针对老年代的特点，提出了一种“标记整理算法”。标记过程仍与“标记清除”过程一致，但后续步骤不是直接对可回收对象进行清理，而是让所有存活对象向一端移动，然后直接清理掉边界以外的内存。

好处是能整理出连续的内存，不会产生碎片，方便对象分配，也不会将可用内存减半；
不足：要扫描两次，还要移动对象，效率偏低。

标记压缩（整理）算法.png

4. JVM逻辑分代模型（用于分代垃圾回收算法）

这是部分垃圾回收器使用的模型

除Epsilon ZGC Shenandoah之外的GC都是使用逻辑分代模型
G1是逻辑分代，物理不分代
除此之外不仅逻辑分代，而且物理分代

分代垃圾回收算法，并没有新思想，只是根据对象存活周期的不同将内存划分为几块。
一般是把Java堆分为新生代和老年代。在新生代中，每次垃圾回收都有大批对象被回收，只有少量存活，因此采用复制算法；而老年代中对象存活率高、没有额外空间对它进行分配担保，就必须采用"标记清理"或者"标记压缩"算法。

现在的商用虚拟机(包括HotSpot)都是采用这种收集算法来回收新生代
新生代中98%的对象都是"朝生夕死"的，所以并不需要按照1 : 1的比例来划分内存空间，而是将内存(新生代内存)分为一块较大的Eden(伊甸园)空间和两块较小的Survivor(幸存者)空间，每次使用Eden和其中一块Survivor（两个Survivor区域一个称为From区，另一个称为To区域）。当回收时，将Eden和Survivor中还存活的对象一次性复制到另一块Survivor空间上，最后清理掉Eden和刚才用过的Survivor空间。
当Survivor空间不够用时，需要依赖其他内存(老年代)进行分配担保。
HotSpot默认Eden与Survivor的大小比例是8 : 1，也就是说Eden:Survivor From : Survivor To = 8:1:1。所以每次新生代可用内存空间为整个新生代容量的90%,而剩下的10%用来存放回收后存活的对象。

堆内存逻辑分区.png

4.1 对象从出生到消亡

对象会首先分配到stack栈中，如果栈中分配不下了，会分配到Eden区中。Eden区进行垃圾回收后，存活对象被复制到s1区，清空Eden区。当触发第二次垃圾回收时，将Eden区、s1区存活对象复制到s2区，清空eden和s1......

如此循环进行，对象被复制一次年龄加1，当Survivor区对象的复制年龄超过限制时，进入Old区。

通过参数：-XX:MaxTenuringThreshold配置对象被复制的最大次数。

对象什么时候进入老年代？
对象头mark word有4位是记录对象年龄的，4位二进制最大是15，也就是说年龄最大为15

• 超过XX:MaxTenuringThreshold指定次数(YGC)
  • Parallel Scavenge回收器 15
  • CMS回收器 6
  • G1回收器 15
• 动态年龄
  • s1 --> s2 超过50%
  • 把年龄最大的放入old

4.1.1 对象的分配

• 栈上分配

  • 线程私有小对象
  • 无逃逸(只在某代码段中使用)
  • 支持标量替换(用普通类型属性代替对象)
  • 优化时无需调整

• 线程本地分配TLAB(Thread Local Allocation Buffer)

  • 占用eden，默认1%(为避免对象分配时进行空间争用线程同步影响效率，每个线程独占eden区1%的空间)
  • 多线程时不用竞争eden就可以申请空间，提高效率
  • 小对象
  • 优化时无需调整

• 老年代

  • 大对象

对象分配过程总结：

对象分配过程总结.png

• eden

4.2 GC概念

GC概念.png