《Java 底层原理》Jvm GC算法

前言

之前的学习也是为了让我们更好的理解GC，GC是我们学习Jvm的核心，因为我们后面的优化，为什么会出现oom，怎么调整堆空间的大小等等。

GC算法

第一种标记算法：引用计数法

在对象中添加一个属性用于标记对象被引用的次数，每多一个其他对象引用，计数+1，当引用失效时，计数-1，如果计数=0，表示没有其他对象引用，就可以被回收。

这个算法无法解决循环依赖的问题。比如A，B对象相互引用，这样就会计数增加，不会出现计数减少。

第二种标记算法：可达性算法

通过一系列被称为“GC Roots”的根对象作为起始节点集，从这些节点开始，根据引用关系链向下搜索，如果某个对象无法被搜索到，则说明该对象无引用执行，可回收。相反，则对象处于存活状态，不可回收。JVM中的实现是找到存活对象，未打标记的就是无用对象，GC时会回收。

哪些对象可以作为GC Root呢：

• 所有Java线程当前活跃的栈帧里指向GC堆里的对象的引用；换句话说，当前所有正在被调用的方法的引用类型的参数/局部变量/临时值。
• VM的一些静态数据结构里指向GC堆里的对象的引用，例如说HotSpot VM里的Universe里有很多这样的引用。
• JNI handles，包括global handles和local handles
• （看情况）所有当前被加载的Java类
• （看情况）Java类的引用类型静态变量
• （看情况）Java类的运行时常量池里的引用类型常量（String或Class类型）
• （看情况）String常量池（StringTable）里的引用

Jvm是如何找存活对象的？

3色标记算法

未发生gc时，所有的对象视为白色。

发生gc后，新创建的对象全部视为黑色。

• 白色：尚未访问过。
• 本对象已访问过，而且本对象引用到的其他对象也全部访问过了。
• 本对象已访问过，但是本对象引用到的其他对象尚未全部访问完。全部访问后，会转换为黑色。

从3色标记的说明可以很容易的看出，最后白色未被访问的对象是需要回收的对象。

并发的情况下：3色标记会存在对象被多标记，少标记，漏标记的情况。

多标的情况：因为GC线程和用户并发执行，所以当GC线程刚刚标记上，而用户线程紧接着就断开引用了的情况。

少标的情况：用户线程新创建的对象，默认是黑色的，可以躲过本次GC，下次GC可以被扫描到。

漏标的情况：一个完成黑色标记的对象，指向了一个白色对象，这个时候就产生的漏标。

• 有至少一个黑色对象在自己被标记之后指向了这个白色对象
• 所有的灰色对象在自己引用扫描完成之前删除了对白色对象的引用

多标，少标问题不大，下次GC都可以处理，但是漏标会导致程序报错，这个必须要处理。处理方式有两种：

增量更新：GC过程中发送的引用关系变化都记录下来，等GC标记完成后，再扫描一下记录的对象的引用情况即可。

原始快照：当一个灰色对象去掉对白色对象的引用，这种情况下，这个引用关系会被记录下来。 让这个白色对象变成灰色，后面继续扫描，会产生一点垃圾对象。

第一种GC算法：标记清除算法

没有被打上标记的对象，被清除掉。

第二种GC算法：标记清除-整理算法

第一步：没有被打上标记的对象，被清除掉。

第二步：将内存碎片整理合并。

第三种GC算法：分代+复制算法

Eden区满了触发GC,

第一步：Eden区加From区的对象，进行标记，还被引用的对象打上标记。

第二步：将已经被标记的对象，存放到To区。清空From区和Eden区的对象。

后面的FC 也是一样的道理，只是From 区和To区的位置交换而已。

详细的Jvm,内存模型见：https://www.cnblogs.com/jssj/p/14290060.html

这里有一个重点知识：存活的对象被迁移到新的内存空间，这就牵涉到对象内存地址的变更即对象搬家了，如何保证还是可以让程序正常使用？

Jvm 使用了动态计算指针来实现的，引用指针会指向新的内存地址，内存是连续的，可以通过计算内存移动的距离和自己的长度计算新内存地址的位置。

内存分配算法

指针碰撞：自旋方式获取内存空间。

空闲队列：将内存先划分cell小块，再进行分配。

GC中还有两个概念，安全点和安全区。

垃圾收集器

名词STW：Stop The World。即GC线程与用户线程无法并发运行，GC线程执行期间需要暂停用户线程

Jvm有10种垃圾回收器。

java -XX:+PrintCommandLineFlags -version   -- windows 使用该命令可以查看默认使用的垃圾回收器

标红的就是。

1、Serial收集器

串行垃圾收集器，即GC线程与用户线程先后运行，即GC时需要STW（暂停所有用户线程），直至GC结束才恢复用户线程的运行专注于收集年轻代，底层是复制算法

相关参数：-XX:+UseSerialGC

2.Serial Old收集器

Serial Old 和Serial 相比就是应用在老年代的垃圾收集器,也是单线程,但是算法不是copy,而是Mark-Compact 标记整理算法,也是stw:暂停所有线程进行垃圾回收;

所以 Serial 和Serial Old 组合使用，可用内存一般不大（几十M至一两百M）的服务器环境中,不适合当前的大内存了

3.ParNew收集器

ParNew垃圾收集器是Serial收集器的改进多线程版本(因为内存的不断增大),除了多线程外，其余的行为、特点和Serial收集器一样,实现算法跟Serial完全一样(copy算法),也是stw下执行;

但是如果CPU数量为1个或者少于4个时，该种收集器的性能并不会比Serial要好。因为除去上下文切换，以及占用用户线程CPU时间片，导致用户线程被拖慢

在Server模式下，ParNew收集器是一个非常重要的收集器，因为除Serial外，目前只有它能与CMS收集器配合工作；CMS是HotSpot在JDK1.5推出的第一款真正意义上的并发（Concurrent）收集器，第一次实现了让垃圾收集线程与用户线程（基本上）同时工作；

1 ) CMS作为老年代收集器，但却无法与JDK1.4已经存在的新生代收集器Parallel Scavenge配合工作；

2) 因为Parallel Scavenge（以及G1）都没有使用传统的GC收集器代码框架，而另外独立实现；而其余几种收集器则共用了部分的框架代码；

设置参数

“-XX:+UseConcMarkSweepGC”：指定使用CMS后，会默认使用ParNew作为新生代收集器；
“-XX:+UseParNewGC”：强制指定使用ParNew；
“-XX:ParallelGCThreads”：指定垃圾收集的线程数量，ParNew默认开启的收集线程与CPU的数量

4.Parallel Old

这个是Serial Old的多线程版本,应用在老年代的收集器，也是标记-整理算法,并且是stw的执行收集。但是如果CPU数量少的话性能一样不好。但是现在无论是PC还是server CPU数量都不再是性能瓶颈限制了，所以目前它跟Parallel Scavenge的配合是吞吐量优先场景的优先收集器选择。

5.Parallel Scavenge

一种新生代垃圾收集器,与 ParNew相比不可以与cms一起组合使用，PS也是复制算法，它与前两种收集器最大的区别是，它关注的是吞吐量而不是延迟。也被称为是吞吐量优先的收集器。其中，吞吐量=运行用户代码时间/(运行用户代码时间+垃圾收集时间)。

主要使用场景：主要适合在后台运算而不是太多交互的任务，高吞吐量则可以最高效率的利用CPU时间,尽快的完成程序的运算任务。当然，如果想要降低停顿时间，相应的也会影响吞吐量

6.CMS
CMS，Concurrent Mark Sweep，这是一款真正的并发收集器,就是在线程执行过程中也可以进行垃圾收集的收集器,在一些对响应时间有很高要求的应用或网站中，用户程序不能有长时间的停顿，CMS 可以用于此场景。 分为四个过程 ,1初始标记 ,2并发标记,3重新标记,4并发清理

CMS采用了多种方式尽可能降低GC的暂停时间,减少用户程序停顿。停顿时间降低的同时牺牲了CPU吞吐量 。

因为并发情况占用大量cpu资源，这是在停顿时间和性能间做出的取舍，可以简单理解为"空间(性能)"换时间，CMS 是一个承前启后的收集器

7.G1（Garbage First）

在JDK7就已加入JVM的收集器大家庭中，成为HotSpot重点发展的垃圾回收技术。同优秀的CMS垃圾回收器一样，G1也是关注最小时延的垃圾回收器，也同样适合大尺寸堆内存的垃圾收集，官方也推荐使用G1来代替选择CMS。G1最大的特点是引入分区的思路，弱化了分代的概念，合理利用垃圾收集各个周期的资源，解决了其他收集器甚至CMS的众多缺陷
G1收集器，是比前面的更优秀，真正有突破的一款垃圾收集器。其实在G1中还是保留了分代的概念，但是实际上已经在新生代和老年代中没有物理隔离了。在G1中，内存空间被分割成一个个的Region区，所谓新生代和老年代，都是由一个个region组成的。同时G1也不需要跟别的收集器一起配合使用，自己就可以搞定所有内存区域。整体上来讲不是一个分代收集器，是一个通吃收集器。这也是JVM内存管理和垃圾收集的一个发展趋势。从后面zgc中我们可以更清晰的看到这个变化。

G1采用了标记-整理算法，避免了CMS中的内存碎片问题，另外它能达到可控的垃圾时间。是一款优秀的收集器。即便如此，从2004年第一篇论文发表到真正商用推出，也是到了jdk1.7。实现上并不是那么容易的。

G1的工作过程：

初始标记：这个过程跟CMS第一个过程差不多，只是标记一下GC Root关联的对象。

并发标记：这个过程时间比较久，分析GC Root到所有对象的可达性分析。如果从GC Root节点开始遍历所有对象会比较耗时，实际上JVM也不是这么做的。JVM是使用Remembered Set保存了对象引用的调用信息，在可达性分析的时候只需要同时遍历remembered set就好了，不需要从根节点开始挨个遍历。

最终标记：由于并发标记阶段，用户线程仍然在工作，会对标记产生一些偏差，这时候需要通过remembered set log来记录这些改变，在这个阶段将改变合并到remembered set中。完成最终标记。

筛选清除：通过标记整理的算法，根据用户配置的回收时间，和维护的优先级列表，优先收集价值最大的region。收集阶段是基于标记-整理和复制算法实现

记忆集和卡表

 

8.ZGC

zgc是jdk11中要发布的最新垃圾收集器。完全没有分代的概念，先说下它的优点吧，官方给出的是无碎片，时间可控，超大堆。

9.Shenandoah

Shenandoah是一款concurrent及parallel的垃圾收集器；跟ZGC一样也是面向low-pause-time的垃圾收集器，不过ZGC是基于colored pointers来实现，而Shenandoah GC是基于brooks pointers来实现。

其实低停顿的GC，业界早就出现，只不过Java比较晚

Azul的Zing中C4 GC 土豪选择

oracle中的HotSpot ZGC JDK11的选择

R大说ZGC说抄袭Azul的，两者是等价的。

10.Epsilon

java 11 新的Epsilon垃圾收集器

Epsilon（A No-Op Garbage Collector）垃圾回收器控制内存分配，但是不执行任何垃圾回收工作。一旦java的堆被耗尽，jvm就直接关闭。设计的目的是提供一个完全消极的GC实现，分配有限的内存分配，最大限度降低消费内存占用量和内存吞吐时的延迟时间。一个好的实现是隔离代码变化，不影响其他GC，最小限度的改变其他的JVM代码。

总结

gc 是Jvm非常重要的一环，可以说是最核心的，让代码使用者可以不关心内存分配的问题，作为Java开发者，是必须掌握的核心技术。