JVM垃圾回收，

垃圾回收与内存分配策略

• 垃圾回收与内存分配策略
  • “垃圾”的定义
    • 对象是否为“垃圾”
    • 何为“引用”--四种引用类型
    • 最后的挣扎--finalize()方法
    • 回收方法区
  • 垃圾回收算法
    • 回收的前置--分代理论
    • 标记-清除算法(Mark Sweep)
    • 标记-复制算法
    • 标记-整理算法(Mark Compact)
    • 标记?清除:整理
  • 经典垃圾回收器
    • Serial收集器
    • ParNew收集器
    • Parallel Scavenge搜集器
      • 参数说明
    • Serial Old 收集器
    • Parallel Old 收集器
    • CMS收集器
    • Garbage First 收集器
  • 低延迟垃圾收集器
    • Shenandoah 收集器
    • ZGC 收集器

“垃圾”的定义

对象是否为“垃圾”

判断对象是否已成为“垃圾”的两种方法：引用计数法、可达性分析算法

• 引用计数法

如果一个对象被引用一次，则加1，如果没人引用则被回收；存在问题：如果两个对象循环引用，但是没有任何外部对象引用他们俩，则那两个对象无法被回收。

• 可达性分析算法(主流JVM采用)

没有被根对象(GC ROOT)直接或简介引用的对象则会被回收

根对象--肯定不能对回收的对象

GC ROOT对象：system class、同步锁、线程类、本地方法类

何为“引用”--四种引用类型

JDK1.2以后将引用分为：强引用、软引用、弱引用和虚引用4种，强度依次减弱。

• 强引用
  被GC ROOT直接引用（等号赋值
• 软引用
  被GC ROOT间接引用；当内存不足时被回收，内存充足时不会被回收
• 弱引用
  没有GC ROOT直接引用，当发生垃圾回收时，不管内存是否充足都会被回收
• 虚引用
  没有GC ROOT直接引用，虚引用使用时必须配合引用队列进行管理。

比如创建一个ByteBuffer实现类对象时，会创建个一个Cleaner对象，当ByteBuffer实现类对象没有再被引用时，ByteBuffer实现类对象会被回收，Cleaner对象则会进入引用队列，这时候一个referencehandles线程会查找引用队列中是否存在cleaner对象，如果有则调用Cleaner.clean方法，clean方法则根据记录的直接内存的地址，调用unsafe.freememory方法释放直接内存

• 补充：引用队列

软引用、弱引用本身也要占用一定内存，当软引用、弱引用的引用对象都被回收时，则进入引用队列，会对引用队列进行后续管理；虚引用引用的对象被释放后，虚引用会进入引用队列

最后的挣扎--finalize()方法

即使可达性分析后，对象被判定为“垃圾”，也并非非死不可。一个对象的死亡至少需要两次标记：

没有与GC Root的引用链，标记一次

对象没有重写finalize()方法，或finalize()重写但已被调用过一次，标记第二次

如果重写了finalize()方法，且还没有被调用，那么对象会被放置在F-Queue的队列中，会有一条虚拟机自建的、优先度较低的线程Finalizer线程去执行对象的finalize()方法，但为了防止finalize()方法出现死循环等异常，并不会保证等待finalize()方法执行结束。在此期间，若对象建立了引用链，则对象可以存活一次，否则就“死定了”。

不建议使用该finalize()方法

回收方法区

方法区的垃圾回收主要包含两部分：废弃的常量、不再使用的类型

常量的回收类似与Java堆中的对象，当没有引用时，则允许回收
类型的回收相对比较苛刻，需要同时满足以下条件，才允许被回收

该类所有实例都已被回收
该类的类加载器已被回收
该类对应的java.lang.Class对象没有被引用，且在任何地方都不可以通过反射访问该类方法

垃圾回收算法

从判定垃圾消亡的角度出发，垃圾回收算法可以划分为“引用计数式垃圾收集”、“追踪式垃圾收集”两类。在Java虚拟机中的讨论都在追踪式垃圾收集的范畴中。

回收的前置--分代理论

分代设计的理论建立在两个分代假说之上：

标记-清除算法(Mark Sweep)

先标记需要回收的对象，再统一清除

效率不稳定，随着对象数量增多，标记、清除两个过程的执行效率降低

内存碎片化，导致存入大对象时无法获得足够的连续内存空间，触发另一次垃圾收集动作

标记-复制算法

将可用内存划分为两个完全相等空间，每次只使用其中的一块。如果其中的一块内存用完，则将存活的对象完全复制到另一块，再对原来的空间进行统一清除回收。

缺点

内存空间的浪费

若空间内大量对象都是存活的，复制的开销增大
优点

简单高效

不用考虑内存空间碎片化

PS.

现商用Java虚拟机多在新生代中采用该方法

• Appel式回收
  HotSpot虚拟机中的Serial、ParNew等新生代收集器均采取该策略。具体如下：
  把新生代分为一块较大的Eden空间和两块较小的Survivor空间，每次分配只使用Eden和一块Survivor，发生垃圾回收时，将存活的对象一次性复制给另一块Survivor空间内，然后清理已用的空间。

  HotSpot虚拟机给Eden和Survivor默认大小比例为8:1，也就是说会有10%的空间会被浪费。当预留的10%的内存空间存不下存活的对象时，，就需要依赖其它内存空间（大多为老年代）进行内存分配。
  

标记-整理算法(Mark Compact)

区别与标记--清除算法，标记--整理算法，在标记后将存活的对象移向一端，然后将另一端的空间整体回收，是一种移动式的算法。

优点

不存在碎片化内存，则无需依赖复杂的内存分配器
缺点

对象的移动操作需要触发“Stop The World”耗时较久

标记?清除:整理

标记-清除是一种非移动式算法、标记-整理是一种移动式算法，两者比较说明：

• 吞吐量比较
  吞吐量定义：赋值器和收集器效率之和
  不移动会使得收集器效率增大，但是内存分配和访问会比垃圾回收频率高得多，所以整体吞吐量还是降低的。

• 举例说明
  HotSpot虚拟机中关注吞吐量的Parallel Scavenger收集器基于标记-整理算法；关注低延迟的CMS收集器基于标记-清除算法

• 混合方案
  使虚拟机多数时间采用标记-清除算法，暂时容忍碎片的存在，等到碎片化程度开始影响对象的内存分配时，在采用标记-整理算法收集一次（CMS就采取该方式）

经典垃圾回收器

所谓“经典”垃圾回收器是指区别于实验室阶段的、已通过应用实践的垃圾回收器。

Serial收集器

Serial：新生代：标记-复制算法
Serial Old：老年代：标记-整理算法
HotSpot虚拟机运行在客户端模式下的默认新生代收集器
简单高效、内存消耗最小

ParNew收集器

ParNew：新生代：标记-复制算法
Serial Old：老年代：标记-整理算法
激活CMS后，默认的新生代收集器
Serial的多线程版本，默认开启的线程数与CPU核心数相同

Parallel Scavenge搜集器

标记-复制算法，与ParNew相似
关注点在于达成可控制的吞吐量（吞吐量=用户代码运行时间/总时间；总时间=用户代码运行时间+垃圾回收时间）

参数说明

• -XXMaxGCPauseMillis更关注停顿时间
  一个大于0的毫秒数，尽量使回收时间不超过这个值
  实现原理：牺牲吞吐量和新生代空间获取，小内存新生代空间的回收速度一定由于高内存速度，但是回收频率也会增加

• -XXGCTimeRatio更关注吞吐量
  0到100之间的整数，代表垃圾回收时间占总时间的比率，相当于吞吐量的倒数

• -UserAdaptiveSizePolicy
  开关函数，激活后虚拟机会根据当前运行情况自动调整Eden与Survivor的内存比例、老年代内存大小等参数，已提供合适的停顿时间和最大吞吐量

Serial Old 收集器

serial 收集器的老年版本，标记-整理算法
在CMS收集器并发失败时的预备方案

Parallel Old 收集器

Parallel Scavenge 收集器的老年版本，标记-整理算法
在注重吞吐量或处理器资源稀缺时使用

CMS收集器

获取最短停顿时间的为目标，采用并发-清除算法

• 工作步骤

整个过程中，并发标记和并发清除耗时最久

• 关键问题

Garbage First 收集器

建立可预测的停顿时间模型，开创了面向局部收集的内存设计思路，基于Region的内存布局形式。默认停顿时间为200毫秒

• 基于Region的内存布局
  把连续的Java堆内存划分为多个大小相等的独立空间，每个空间都可以扮演Eden、Survivor空间或者老年代空间，其中Humongous区域转为收集大对象（大小超过了一个Region的对象，Region的大小可通过参数调整），G1大多会把Humongous当做老年代看待。收集器可以根据不同的角色采取不同的收集策略。

• 局部收集思想
  Region作为每次回收的最小内存单位，每次收集到的空间都是Region的整倍数，G1会跟踪Region堆积的“价值”大小（回收所获空间/回收所需时间的经验值），再后台维护一个优先级列表，优先回收价值大的Region

• 工作步骤
• 关键问题
• G1与CMS
  • 优点：
    可以指定最大停顿时间、分Region的内存布局、按收益动态回收、不会产生内存碎片、回收完成后可提供规整的可用内存
  • 缺点：
    内存占用、程序执行的额外负载都较高
    G1的卡表更为复杂；运行负载方面，CMS使用写后屏障来更细维护卡表，而G1为了实现原始搜索(SATB)快照算法，还需要写前屏障来跟踪并发时的指针变化情况，G1能减少并发标记和重新标记的消耗，避免像CMS那样在最终标记阶段停顿时间过长。CMS直接同步处理，而G1异步处理

• 总结
  小内存上使用CMS有优势，而大内存状态下使用G1有更多优势，而Java堆内存容量平衡点大约在6-8GB之间(经验数据)

低延迟垃圾收集器

Shenandoah 收集器

ZGC 收集器