发现垃圾

1. 回收的区域

Java内存区域包括堆、虚拟机栈、本地方法栈、方法区、直接内存、程序计数器等。
其中需要回收的区域包括堆和方法区。

2. 判定垃圾的依据

• 引用计数算法
  计数器，有一个引用就+1。问题是难以处理循环引用的问题。
• 可达性分析算法
  从根出发，不能被触达的对象都会被当作垃圾回收。这里的根即GC Roots
  常见的GC Roots包括：
  • 虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的东西。
  • 方法区中类静态属性引用的对象。
  • 方法区中常量引用的对象。
  • 本地方法栈中JNI（即一般说的Native方法）引用的对象。

3. 扩展知识

• 引用类型
  强引用、软引用（内存满回收）、弱引用（一gc就回收）、虚引用（和没有一样，只是为了gc时先放入引用队列，消费这个队列就可以得知虚引用的对象被回收了，典型例子时堆外内存回收）
• finalize

回收算法

• 标记清除
  效率不高，有内存碎片
• 复制
  相较于标记清除，效率会高些。但内存利用率不高
• 标记整理
  如果对象存活率较高，复制算法的效率就会比较低。而且存在空间浪费。

回收策略

• 分代收集
  三种回收算法有自己的特点，所以实践中选择将内存按照对象的存货周期划分为不同的区域，为不同的区域选择不同的回收算法。
• 新生代
  • 新生代的对象大多“朝生夕死”，所以采用复制算法会比较合适。
  • 新生代被划分成1个Eden + 2个Survivor，大小为8:1:1。
  • 扩展1：为什么需要两个Survivor？
• 老年代
  老年代对象存活率高，使用标记清除或者标记整理会更合适。

回收器

• Hotspot
  HotSpot是Oracle JDK和OpenJDK所使用的虚拟机，本文的讨论基于使用HotSpot虚拟机的前提下。
• 关键技术
  • 三色标记
    黑色集合：自身被访问，且引用也全部被访问过；灰色集合：自身被访问，引用还没被访问；白色集合：未被访问过。灰色集合全部放入黑色集合对应标记结束，结束后，白色集合被回收。
  • Card Table 和 Remember Set
    解决跨代引用的问题，卡表把被引用的card标记为脏，RSet记录哪些card引用了我的对象
  • 写屏障
    类似AOP，赋值操作时做一些额外操作
  • 增量更新和SATB
    三色标记法会有漏标的问题，并发标记阶段，一个灰对象的白对象引用赋值给黑对象，那么这个白对象就会被错误的回收掉。这种情况发生需要满足两个条件：一、灰色对象断开了白色对象的引用；二、黑色对象重新引用了该白色对象。那么只要破坏这两个条件就可以解决这种错误情况，分别对应的是增量更新(CMS)和SATB(G1)，增量更新是记下条件二，重新标记的时候再扫一次；SATB则是记下条件一，重扫这个白色对象，效率更高，但可能丧失精度，让白色对象躲过GC。
  • 着色指针和读屏障
    G1的YGC和MixedGC都是STW的，因为其复制阶段不能解决并发访问的问题，着色指针可以告诉线程对象被移动了，那么访问时可以通过读屏障把最新地址读出来。
• Serial
  单线程，Young GC和Old GC都会STW。YGC使用复制，OGC使用标记整理。
• ParNew
  Serial的多线程版本
• CMS
  目标是尽可能短的STW，用在老年代。我理解他就是拆分了可以和用户线程并发执行的过程出来，降低STW的时间。主要问题是CPU和内存碎片（因为用的标记清除）
  • background
    • 触发条件：后台线程2S判断一次是否满足以下条件
      1. 如果没有设置-XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly，虚拟机会根据收集的数据决定是否触发（建议线上环境带上这个参数，不然会加大问题排查的难度），也就是2的配置会失效
      2. 老年代使用率达到阈值 CMSInitiatingOccupancyFraction，默认92%
      3. 永久代的使用率达到阈值 CMSInitiatingPermOccupancyFraction，默认92%，前提是开启 CMSClassUnloadingEnabled
      4. 判断当前新生代的对象是否能够全部顺利的晋升到老年代，如果不能，就提早触发一次老年代的收集
    • 流程：
      1. 初始标记
         STW，标记直接被GC Roots引用的对象和新生代中存活对象引用的老年代对象
      2. 并发标记
         顺着初始标记的对象继续标记，这一阶段引用关系会变，所以会把变了的对象的Card标记为Dirty
      3. 预清理
         重新标记Dirty Card中的对象
      4. 可终止的预处理
         这个阶段是为了减少重新标记STW的时间，做的事情和预清理一样。不过这里是循环的，直到一些条件被满足，比如超过5s、超过多少次之类。这一阶段如果期间发生了一次YGC，那么重新标记的时间又可以减少一些，也可以配置CMSScavengeBeforeRemark来强制触发一次YGC
      5. 重新标记
         STW，重新扫描整个堆，根据dirty card修正并发阶段引用关系的变化
      6. 并发清理
      7. 并发重置
  • foreground
    • 触发条件：
      1. Concurent Mode Failure，并发回收的同时，浮动垃圾导致老年代空间耗尽，只好STW，触发前台回收
      2. Promotion Failed，发生在Minor GC时，新生代提升失败，也只能触发STW来回收。
    • 算法：
      1. CMS自己的mark-sweep算法，串行不压缩，回收范围只有老年代
      2. 根据UseCMSCompactAtFullCollection和CMSFullGCsBeforeCompaction这两个参数来判断是不是选择带压缩的算法，如果是的话（默认是）就会使用Serial Old做整个堆的回收，也即Full GC
• G1
  G1将整个内存分为多个region，这些region被标记为Eden，Survior或是Old。G1在回收时将存活对象从region移动到新的region，从全局看，使用的是标记整理。
  • 停顿预测模型
    基于历史数据（部分），衰减标准偏差（越老的影响越小）做预测
  • Young GC
    STW，将Eden中存活的对象复制到survivor或是old，和其他收集器差别不大。不过这里可以动态调整Eden和Survivor的大小以控制停顿时间
  • Marking Cycle
    我理解这一阶段是为了统计老年代的使用情况，方便收集的时候挑选垃圾最多的region。当堆使用率达到InitiatingHeapOccupancyPercent时触发，共分为五个阶段：
    1. Initial Mark，需要STW，所以会在YGC的同时进行这一阶段。标记可能含有指向old区引用的survivor region
    2. Root Region Scanning，扫描标记的survivor region。这一阶段完成前不能开始YGC
    3. Concurrent Marking，标记整个堆中的存活对象，这一阶段可以被YGC打断
    4. Remark，STW，使用SATB算法重新标记
    5. 清理，STW地去统计存活对象和完全空白的region、清理RSet。并行地去回收空白region
  • Mixed GC
    回收所有Young Region以及部分Old Region。Old Region在Marking Cycle阶段已经统计出了各自回收价值。
  • Allocation (Evacuation) Failure
    CMS所面临的Full GC风险在G1中同样存在，并且也是通过Serial的方式进行回收
  • Humongous Objects and Humongous Allocations
    超过region大小一般的对象会被放到特殊的连续的region，region放不满的空间会形成碎片。humongous region会在Collect Cycle的清理阶段和Full GC时回收

gc调优

参考

Java 垃圾回收权威指北
图解CMS垃圾回收机制，你值得拥有
CMS垃圾收集器
G1 垃圾收集器介绍