前言

何为垃圾
如何发现垃圾？
如何回收垃圾？
堆内存逻辑分区
常见垃圾回收器

垃圾（Garbage）

何为垃圾！？

概念

没有任何引用指向的单个或多个对象。

Garbage

C/C++ 的处理

C：

malloc 申请内存
free 释放内存

C++：

new 创建对象
delete 销毁对象

java 的处理

new 创建对象
自动回收对象

C/C++ vs java

C/C++：

手动处理垃圾，容易出错：
1. 忘记回收 -> 内存泄露
2. 多次回收 -> 非法访问
开发效率低，执行效率高

java：

GC处理垃圾
开发效率高，执行效率低

垃圾定位方法

引用计数（Reference Count）

每多一个引用指向某个对象，就将该对象的引用计数值+1，反之亦然。

引用计数

无法解决循环引用（即几个对象相互引用，但实际并没有外部引用指向这其中的任何一个对象，因此这几个对象都是垃圾，但是他们的引用计数都不为0）的问题。

循环引用

根可达算法（Root Searching）

从根对象（GC Roots）开始搜索，搜索所走过的路径称为引用链(Reference Chain)，当一个对象到 GC Roots 没有任何引用链相连时，则此对象垃圾。
哪些对象是根对象：
1. 线程栈变量 JVM stacks
2. JNI变量 native method stacks
3. 常量池 runtime constant pool
4. 静态变量 static reference in method area，Clazz

根可达算法

垃圾回收算法

标记清除（Mark-Sweep）

如下图所示，将标记为垃圾的内存直接清理。

标记清除

特点：
- 垃圾的内存位置不连续，容易产生碎片；
- 整个过程需要两遍扫描，效率偏低；
- 存活对象较多的情况下，效率相对较高。

拷贝（Copying）

如下图所示，将内存分为两块区域，每次只用其中一块区域，垃圾回收时，将存活的对象拷贝到另一半区域。

特点：
- 没有碎片；
- 浪费空间；
- 移动赋值对象，指针所指的对象地址需要调整；
- 只需要扫描一次，效率较高；
- 存活对象较少的情况下，效率相对较高。

标记压缩（Mark-Compact）

如下图所示，垃圾回收时，将存活的对象搬运到连续的内存中。

标记压缩

特点：
- 没有碎片；
- 整个过程需要两遍扫描，并且由于需要搬运对象，指针所指的对象地址需要调整，效率偏低。

内存逻辑分区

背景

可以看到不同的垃圾回收算法也有其各自的适用场景，因此，HotSpot在实现垃圾回收时，将堆内存划分成了两个区域：新生代（Young）和老年代（Old）。

顾名思义，新生代里存放的都是最近产生的对象，而老年代里，存放的是经过多次垃圾回收后，仍然存活的对象。因此，两者相较而言，垃圾回收时，通常新生代里存活的对象较少，而老年代里存活的对象较多。

根据不同区域中对象的特点不同，采用不同的垃圾回收器。

后面随着软硬件的发展，出现了不分代的垃圾回收器（如：G1 逻辑上分代，物理上不分代；ZGC，Shenandoah 逻辑和物理上都不分代）

因此，分代模型仅针对除了 Epsilon、ZGC 和 Shenandoah 以外的垃圾回收器。

分代模型

新生代（young）
老年代（old）
永久代（Perm Generation）/ 元数据区（Metaspace）

备注：

堆（Heap） 分为 新生代 和 老年代。
永久代 和 元数据区 都是 方法区（Method Area） 的具体实现，在jdk1.7及之前的版本中，叫 永久代，在jdk1.8及之后的版本中叫 元数据区。
Class对象在永久代/元数据区中。
永久代必须指定大小，运行过程中大小不会变，存满即报OOM，FGC不会清理Perm Generation；元数据区若不指定大小，则大小受限于物理内存，会触发FGC
字符串常量在jdk1.7及之前版本中，存放于 永久代，在jdk1.8及之后版本中，存放于堆。
GC概念：
- MinorGC/YGC：对年轻代进行垃圾回收称为 MinorGC 或 YGC。年轻代空间耗尽时触发。
- MajorGC/FullGC：对新生代和老年代都进行垃圾回收称为 MajorGC 或 FullGC。在老年代无法继续分配空间时触发。

新生代

新生代（Young）又划分为 Eden 区和 2个 survivor 区（s0 和 s1）。

Eden（伊甸）区存放新生成的对象；两个Survivor（幸存）区交替存放每次YGC后，存活下来的对象。

GC过程：

YGC后，大多数对象被回收，存活的对象进入 s0 区
再次YGC，eden 区和 s0 区活着的对象进入 s1 区
再次YGC，eden 区和 s1 区活着的对象进入 s0 区
…
对象年龄足够，进入老年代。（CMS - 幸存6次后进入老年代；其他 - 幸存15次后进入老年代）

老年代

老年代(Old)中存储的通常是顽固不易被回收的对象。老年代满了会触发FullGC。

对象分配过程

动态年龄

分配担保

常见垃圾回收器

如上图所示，除了 Epsilon 是用于调试以外，垃圾回收器大致可分为两类：使用分代模型的和不使用分代模型的。

几个基础概念

STW：

stop the world的缩写。
是指垃圾回收线程工作时，其他所有线程都暂停，等垃圾回收完毕，再恢复继续工作。
STW期间，业务线程也停了，因此业务会表现出没有响应的现象。
目前，所有的垃圾回收都有STW

safe point：

基于分代模型的垃圾回收器

使用分代模型的垃圾回收器，通常成对出现，分别用于Young区和Old区：

Serial 和 Serial Old：

单线程回收
单CPU情况下，效率最高
适用于堆内存在 几十M左右 的情况
Serial使用拷贝算法，Serial Old使用标记清除压缩算法
Serial: a stop-the-world, copying collector which uses a single GC thread
Serial Old: a stop-the-world, mark-sweep-compact collector that uses a single GC thread

Serial

Parallel Scavenge 和 Parallel Old:

多线程回收
适用于堆内存在 上百M 到 几个G 之间的情况
是jdk1.8的默认垃圾回收器
Parallel Scavenge使用拷贝算法，Parallel Old使用标记压缩算法
Parallel Scavenge: a stop-the-world, copying collector which uses multiple GC threads
Parallel Old：a stop-the world, compacting collector that uses multiple GC threads

Parallel

ParNew 和 CMS

适用于内存在 20 G 以下 的情况
ParaNew：
- ParNew 就是为了配合 CMS 使用，基于 Parallel Scavenge 的增强版本
- a stop-the-world, copying collector which uses multiple GC threads.
- It differs from “Parallel Scavenge” in that it has enhancements that make it usable with CMS
- For Example, “ParNew” does the synchronization needed so that it can run during the concurrent phases of CMS
CMS
- Concurrent Mark Sweep 的缩写
- 在JDK1.4版本后期引入，是里程碑式的GC，开启了 并发回收 的先河，但是由于 CMS 问题较多，目前没有任何一个版本的JDK使用 CMS 作为默认垃圾回收器。
- 并发回收：
  - 随着物理内存越来越大，传统垃圾回收器GC产生的STW时间已经长到无法忍受。因此，为了缩短STW时间，产生了并发垃圾回收器。
  - 并发垃圾回收器工作（即GC）的大部分时间内，其他线程也是正常运行的。只在某些必要阶段，会把其他线程暂停，因此，大大缩短了STW时间。
- 工作阶段：
  1. 初始标记（initial mark）：STW，标记根对象。
  2. 并发标记（concurrent mark）：标记非垃圾对象。使用 三色标记 算法。
  3. 重新标记（remark）：STW，修正并发标记阶段中，由于其他线程同时运行，而产生的错标和漏标。使用 Incremental Update 算法。
  4. 并发清理（concurrent sweep）：清理垃圾。使用 标记清除 算法。
- CMS 的问题：
  1. 碎片化（Memory Fragmentation）：CMS默认使用标记清除算法，会产生内存碎片。
    
    解决方法：
    
    -XX:UseCMSCompactAtFullCollection
    
    -XX:CMSFullGCBeforeCompaction=5
    
    即进行了若干次（可配置，上例中是5）Full GC后，进行一次压缩算法。
  2. 浮动垃圾（Floating Garbage）
    
    CMS并发回收过程中，产生的垃圾，称为浮动垃圾，浮动垃圾需要等到下一次GC时才会回收。
    
    但是浮动垃圾会产生下面2种情况：
    - Concurrent Mode Failure：CMS和业务线程并发运行，在执行CMS的过程中有业务对象需要在老年代直接分配，例如大对象，但是老年代没有足够的空间来分配。
    - Promotion Failed：YGC后， Survivor空间容纳不了剩余对象，将要放入老年代，老年代有碎片或者不能容纳这些对象。
      
      这两种情况，会进入STW，并降级使用Serial Old垃圾器进行FullGC，从而造成长时间的卡顿。
      
      解决方法：+XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=60
      
      即适当调低老年代触发FullGC的阈值，以保证老年代有足够大的空间。

CMS

G1

Garbage First 的缩写
逻辑上分代，物理上不分代
适用于堆内存在 100 G 以下 的情况
并发标记阶段使用 三色标记 算法；重新标记阶段使用 SATB (snapshot at the beginning) 算法。

JVM-垃圾回收（1）-- 基础知识

前言