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常用垃圾回收算法

一、标记-清除算法

算法执行步骤：

1、标记：遍历内存区域，标记所有需要回收的对象（结合可达性分析算法对无用对象进行标记）
2、清除：遍历内存区域，统一回收所有被标记的对象内存

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缺点：
1、两次遍历，效率过低
2、容易产生大量内存碎片,当再需要一块较大的内存时，无法找到一块满足要求的，因而不得不再次触发GC

二、复制算法

算法描述：将内存空间分为等大的两块(对象块&空白块)，每次只使用其中一块，当一块用完之后，触发GC时，将该块中尚且存活的对象复制到另一块区域，然后一次性清理掉这块没用的内存，下次则对调过来执行，如此往复。

优点：解决了标记清除算法的内存碎片问题，且清除对象效率更高（一波带走）

缺点：
1、内存利用率不高，每次都只能使用一半的内存
2、当内存中对象存活率较高时，重复执行复制操作就会显得耗时且无意义

三、标记-整理算法

算法步骤：
1、标记：遍历内存区域，标记所有需要回收的对象（结合可达性分析算法对无用对象进行标记）
2、整理：清除所有标记对象，同时让存活对象往内存一端移动

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优点：解决了内存碎片问题，也提高了内存利用率

缺点**：既有标记清除，又有移动过程，效率更低

四、分代回收算法(主角)

算法描述：是目前大部分JVM的垃圾收集器采用的算法。并不是一种全新的算法，而是根据对象存活时间长短按需整合了前述三种算法。
**
如前面文章所述，目前堆内结构分为年轻代和老年代（比例默认：1：2），而年轻代中又分为两个区：生成区（Eden）和幸存区（Survivor）,幸存区也分为两个区:From Space(S0)和To Space(S1),所以年轻代中内存分布是Eden:S0:S1=8:1:1

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年轻代垃圾回收(Minor GC)
**
1、大部分新生成的对象都会先放在Eden区，回收时先将Eden区存活对象复制到Survivor其中一个区From区，然后清空Eden区

2、后续回收时，将From区和Eden区的存活对象复制到另一个Survivor区To区,然后清空Eden区和From区。

3、部分对象会在From区域和To区域中复制来复制去，如此交换15次(由JVM参数MaxTenuringThreshold决定，这个参数默认是15)，最终如果还存活，就存入老年代

特点**：

年轻代的GC别称为Minor GC,实际上，更像是改良版的复制算法
Minor GC 的执行频率较高，并不一定等到Eden区满才执行，速度极快
基本每次都会有对象死亡，回收量很大

老年代垃圾回收（Major GC/Full GC）
**
如上所述，对象在年轻代经过N轮垃圾回收后仍存活的对象，就会被存放到老年代,可以认为，老年代中存放的都是一些生命周期较长的对象

当老年区内存满了之后，就会触发Major GC也称Full GC，回收整个内存空间的死亡对象内存

特点**：**

执行速度较慢，相较于Minor GC速度慢了10倍左右
执行频率

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实例

好了，上面讲了一大堆的概念，我们最后用实例来看一下实时垃圾回收的表现：

现有类Test和HeapTest,代码如下：

  1. public class Test {
  2.     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
  3.         List<HeapTest> heapTests = new ArrayList<>();
  4.         while (true){
  5.             heapTests.add(new HeapTest());
  6.             Thread.sleep(5);
  7.         }
  8.     }
  9. }
  10. class HeapTest {
  11.     private HeapTest heapTest;
  12.     public void setHeapTest(HeapTest heapTest){
  13.         this.heapTest = heapTest;
  14.     }
  15. }

运行程序，打开docs窗口,执行jvisualvm命令调用jvm监控工具

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自动调用Java VisualVM视图窗口(VisualVM是到目前为止随JDK发布的功能最强大的运行监视和故障处理程序
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其视图窗口包含本地及远程的程序监控，可以查看每个线程的概述，监视CPU、类、线程、内存等信息，而我们需要关注的重点是Visual GC面板,该面板展示的是程序运行中的堆内存及元空间变化，进而观察程序运行期间的回收动作

从Graphs面板可以看到各个空间分区和GC的实时变化，Spaces面板可以看到各个空间分区的内存状况。

从面板可以看到熟悉的Eden（生成区）,Survivor 0（幸存0区） 和Survivor 1（幸存1区）以及Old（老年区）

现有一个测试类如下：

public class Test {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        List<HeapTest> heapTests = new ArrayList<>();
        while (true){
            heapTests.add(new HeapTest());
            Thread.sleep(5);
        }
    }
}

①当线程运行起来后，可以看到Eden区的内存逐渐增大，达到内存巅峰的时候进行了一次内存GC，将所有Eden区中尚且存活的对象复制到S1区，同时将大对象直接放入Old区，然后将Eden区清空

②第二次Eden区内存满了的时候，将Eden区和S1区所有存活的对象复制到S0区，同时清空Eden区和S1区内存。

③第三次Eden区内存满了的时候，将Eden区和S0区所有存活的对象复制到S1区，同时清空Eden区和S0区内存

④每次GC都会对存活对象进行标识，如果标识次数即经历回收达到一定次数，则认为该对象是生命周期较长的对象，选择将该对象存入Old区

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如此往复，直到Old区再也装不下对象时会执行一次Full GC，如果执行完Full GC 后仍旧没有足够内存满足需求，那么就会抛出异常OutOfMemoryError(OOM),程序停止运行

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注**：
1、什么时候会执行GC？**

年轻代GC发生在新创建的对象在Eden区无法申请到空间（即Eden区满）的时候
老年代GC发生在Old区空间已满或调用System.gc()方法时

2、没有Visual GC面板？

工具->插件->可用插件->Visual GC->安装

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常见的垃圾收集器

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年轻代垃圾收集器

Serial收集器（串行收集器）

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线程：单线程收集器（单线程仅有一条垃圾回收线程，而且在垃圾回收的线程执行时，会暂停用户线程，直至回收结束，Stop The World）

算法**：复制算法

显式配置：-XX:+UseSerialGC

应用场景：Client模式

优点**：简单高效（单CPU环境下，无需与其他线程交互，专心GC）

缺点**：造成应用停顿时间

ParNew收集器

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特点**：多线程并行（用户线程等待）

线程：多线程收集器（是Serial收集器的多线程版本，除了线程数，其余特征一致，和Serial收集器共用了不少代码，Stop The World）

算法**：复制算法

显式配置：-XX:+UseParNewGC**（指定使用ParNew收集器）
**-XX:+UseConcMarkSweepGC**(指定使用CMS收集器，会默认使用ParNew收集器作为年轻代收集器)
**-XX:ParallelGCThreads**（指定垃圾收集线程数量）

应用场景：Server模式

优点**：回收速度更快

缺点**：**在单CPU环境下，增加了线程交互开销

Parallel Scavenge收集器（吞吐量优先收集器）

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特点**：器如其名，专注于吞吐量优化，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）

线程：多线程并发

算法**：复制算法

显式配置：-XX:+UseParallelGC **（显示指定使用Parallel Scavenge收集器）
**-XX:GCTimeRatio**（控制吞吐量大小)
**-XX:MaxGCPauseMills** （最大垃圾收集时间）

应用场景：不过分关注暂停时间的应用（如后台定时任务，科学计算器等）

优点**：**吞吐量得到保证

老年代垃圾收集器

Serial Old收集器（串行收集器）

特点：Serial收集器的老年代版本

线程：单线程收集器

算法**：标记-整理算法

显式配置**：**-XX:+UseSerialGC

应用场景：Client模式

优点**：简单高效（单CPU环境下，无需与其他线程交互，专心GC）

缺点**：**造成应用停顿时间

Parallel Old收集器（吞吐量优先收集器）

特点**：Parallel Scavenge收集器的老年代版本，JDK1.6后才有

线程：多线程收集器

算法**：标记-整理算法

显式配置：-XX:+UseParallelOldGC **（显示指定使用Parallel Old收集器）

应用场景：Server模式

优点**：**吞吐量得到保证

CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器

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特点**：专注于获取最短回收停顿时间，非常适合用于注重用户体验的应用，第一次实现了让垃圾收集线程与用户线程同时工作

线程：多线程收集器（此处的多线程是并发的，造成的用户停顿非常短暂，甚至存在与用户线程同步进行的情况）

算法**：标记-清除算法

执行步骤**：

1、初始标记：标记GC Roots直接关联的对象（仅运行收集线程，Stop The World），速度较快

2、**并发标记**：进行GC Roots Tracing的过程，标记出”所有上一步骤被标记的对象”所能到达的对象（时长较长，此进程与用户线程并发进行，不会造成停顿）

3、重新标记：更改在并发标记的过程中，用户线程并发运行时产生变动的标记对象的标记（仅运行收集线程，Stop The World）

4、**并发清除**：清除之前未被标记的所有垃圾（与用户进程并发进行，不会造成停顿）

显式配置**：-XX:+UseConcMarkSweepGC （显示指定使用CMS收集器）

应用场景：与用户交互较多的应用场景，如Web网站等

优点**：用户体验较好，系统停顿极短

缺点**：
必然存在大量内存碎片，需要更多的内存
无法解决最后并发清除阶段用户线程产生新垃圾且没清除的问题

独立回收

Garbage-First收集器（G1收集器）

特点**：一个并行、并发和增量式压缩低停顿**的垃圾收集器，为了替代CMS收集器，解决了CMS收集器的内存碎片和内存空间需求等问题

传统的垃圾收集器将堆内存分为年轻代（Eden区和Survivor区）和老年代，而G1将堆内存分为多个大小相同的区域（**Region**）,每个Region拥有自己的分代属性，但是分代不需要连续

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由于分代不连续，可以有效解决内存碎片化的问题，但是也会导致每次GC的时候都需要全盘扫描找出引用内存，所以G1收集器为每个Region都维护了一个Remenbered Set,用于记录对象引用的情况（是不是很像索引？），当发生GC的时候，从Remenbered Set出发搜索，有效降低耗时

GC模式**：G1收集器仅有两种GC模式，Full GC交给Serial Old收集器执行

YoungGC(年轻代收集)
**
当所有Eden Region使用达到阈值，且无法申请足够内存时，会触发一次YoungGC
每次YoungGC会回收所有Eden区和Survivor区（From），且将存活对象复制到Old区和另一个Survivor区（复制算法）

MixedGC（混合收集）

MixedGC是G1收集器独有的GC模式

我们知道，每次YoungGC都会将Eden区和Survivor区（From）的存活对象都复制到另一个Survivor区（To），然后回收Eden区和From区内存；

那么，MixedGC就是将一部分老年区（Old区）加到将被清理的Eden区和Survivor区（From）的后面，合称collection set,就是即将被回收的集合，等下次MixedGC将该集合的区域一并清理。选择Old区域优先选择E垃圾较多即存活对象较少的区域（所以称为Garbage-First）

线程：多线程收集器（此处的多线程是并发的，造成的用户停顿非常短暂，甚至存在与用户线程同步进行的情况）

算法**：整体使用“标记-整理”算法，局部使用“复制算法”

执行步骤**：

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1、初始标记：标记GC Roots直接关联的对象（仅运行收集线程，Stop The World），速度较快

2、并发标记：进行GC Roots Tracing的过程，标记出”所有上一步骤被标记的对象”所能到达的对象（时长较长，此进程与用户线程并发进行，不会造成停顿）

3、最终标记：更改在并发标记的过程中，用户线程并发运行时产生变动的标记对象的标记（仅运行收集线程，Stop The World）

4、筛选回收：统计及清除Remenbered Set，同时识别完全空白的区域以及可供混合垃圾回收的区域，选择GC模式进行垃圾回收（仅运行收集线程，Stop The World）

显式配置**：-XX:+UseG1GC（显示指定使用G1收集器）

应用场景：与用户交互较多的应用场景，如Web网站等

优点**：用户体验较好，系统停顿极短

垃圾收集器回顾


 Serial ParNew Parallel Scavenge Serial Old Parallel Old CMS G1
是否并行 串行 并行 并行 串行 并行 并行 并行
是否并发 否 否 并发 否 否 并发 并发
作用代 年轻代 年轻代 年轻代 老年代 老年代 老年代 年轻代和老年代

总结

1、常用垃圾回收算法包括：标记-清除算法、复制算法、标记-整理算法、分代回收算法等，每个算法都在不断的完善上一算法的缺陷，提高回收效率

2、常见的垃圾收集器包括Serial收集器、ParNew收集器、Parallel Scavenge收集器、Serial Old收集器、Parallel Old收集器、CMS收集器、G1收集器等，每个收集器的线程并行并发和作用代都不尽相同。

如有贻误，还请评论指正