文章作用

垃圾回收基础:什么是垃圾、如何判断是垃圾、如何回收
可达性分析算法（根搜索算法）、GC 类型、垃圾收集类型
垃圾回收算法
垃圾收集器：串行收集器、并行收集器、新生代 ParallelScavenge 收集器、CMS、G1、ZGC

垃圾回收概述

什么是垃圾

简单说就是内存中已经不再被使用到的内存空间就是垃圾

如何判断是垃圾

引用计数法

给对象添加一个引用计数器，有访问就加 1，引用失效就减 1

优点：实现简单、效率高
缺点：不能解决对象之间循环引用的问题

可达性分析算法（根搜索算法）

从根（GC Roots）节点向下搜索对象节点，搜索走过的路径成为引用链，当一个对象到根之间没有连通的话，则该对象不可用

可以作为 GC Roots 的对象

虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象
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 引用的对象

判断是垃圾的步骤

通过可达性分析算法判断为不可达
看是否有必要执行 finalize 方法，没有必要两种情况：
- 要回收的对象没有覆盖 finalize 方法
- 要回收的对象 finalize 已经被虚拟机调用过
两个步骤走完后对象仍然没有人使用，那就属于垃圾

判断类无用的条件

刚刚上边说的是类的实例是如何被判定为垃圾的，现在说下类被卸载的条件

JVM 中该类的所有实例都已经被回收
加载该类的 ClassLoader 已经被回收
没有任何地方引用该类的 Class 对象
无法在任何地方通过反射访问这个类

GC 类型

MinorGC/YoungGC：发生在新生代的动作
MajorGC/OldGC：发生在老年代的 GC，目前只有 CMS 收集器会有单独收集老年代的行为
MixedGC：收集整个新生代以及部分老年代，目前只有 G1 收集器会有这种行为
FullGC：收集整个 Java 堆和方法区的 GC

垃圾回收类型

串行收集：GC 单线程内存回收、会暂停所有的用户线程，如：Serial
并行收集：多个 GC 线程并发工作，此时用户线程是暂停的，如：Parallel
并发收集：用户线程和 GC 线程同时执行（不一定是并行，可能交替执行），不需要停顿用户线程，如：CMS

垃圾回收算法

标记清除法（Mark-Sweep）

算法分为标记和清除两个阶段，先标记出要回收的对象，然后统一回收这些对象

优点：简单
缺点：
- 效率不高，标记和清除的效率都不高
- 标记清除后会产生大量不连续的内存碎片，从而导致在分配大对象时触发 GC

复制算法（Copying）

把内存分成两块完全相同的区域，每次使用其中一块，当一块使用完了，就把这块上还存活的对象拷贝到另外一块，然后把这块清除掉

优点：实现简单，运行高效，不用考虑内存碎片问题
缺点：内存浪费一半

JVM实际实现中，是将内存分为一块较大的 Eden 区和两块较小的 Survivor 空间，每次使用 Eden 和一块 Survivor，回收时，把存活的对象复制到另一块 Survivor

HotSpot 默认的 Eden 和 Survivor 比是 8：1，也就是每次能用 90% 的新生代空间

如果 Survivor 空间不够，就要依赖老年代进行分配担保，把放不下的对象直接进入老年代

分配担保

当新生代进行垃圾回收后，新生代的存活区放置不下，那么需要把这些对象放置到老年代去的策略，也就是老年代为新生代的 GC 做空间分配担保，步骤如下：

在发生 MinorGC 前，JVM 会检查老年代的最大可用的连续空间，是否大于新生代所有对象的总空间，如果大于，可以确保 MinorGC 是安全的
如果小于，那么 JVM 会检查是否设置了允许分配担保，如果设置了，则继续检查老年代最大可用的连续空间，是否大于历次晋升到老年代对象的平均大小
如果大于，则尝试进行一次 MinorGC
如果不大于，则改做一次 FullGC

标记整理法（Mark-Compact）

由于复制算法在存活对象比较多的时候，效率较低，且有空间浪费，因此老年代一般不会选用复制算法，老年代多选用标记整理算法

标记过程跟标记清除一样，但是后续不是直接清除可回收对象，而是让所有存活对象都向一端移动，然后直接清除边界以外的内存

垃圾收集器（HotSpot 中的收集器）

垃圾收集器是具体实现前面列举的那些算法并实现内存回收

垃圾回收基础（TODO） - 图1

串行收集器（Serial/Serial Old）

是一个单线程的收集器，在垃圾收集时，会暂停所有用户线程

垃圾回收基础（TODO） - 图2

优点：简单，对于单 CPU，由于没有多线程的交互开销，可能更高效，是默认的 Client 模式下的新生代收集器
使用：通过-XX:+UseSerialGC来开启，会使用 Serial+Serial Old 的收集器组合
新生代使用复制算法，老年代使用标记-整理算法

开启使用的例子如下：

// GC 测试代码
fun main() {
    val list = mutableListOf<GCUnit>()
    try {
        while (true) {
            list.add(GCUnit())
        }
    } catch (e: Exception) {
        e.printStackTrace()
    }
}
class GCUnit {
    val byteArray: ByteArray = ByteArray(1024 * 1024)
}

VM options

-XX:+UseSerialGC -XX:+PrintGCDetails

执行 log 如下：

垃圾回收基础（TODO） - 图3

Serial 收集器新生代表示为DefNew( Default New Generation 缩写 )，老年代为Tenured

并行收集器

ParNew

只用在新生代，使用多线程进行垃圾回收，在垃圾收集时，会暂停所有用户线程

垃圾回收基础（TODO） - 图4

在并发能力好的 CPU 环境里，它停顿的时间要比串行收集器端；但是对于单 CPU 或并发能力较弱的 CPU，由于多线程的交互开销，可能比串行回收期更差

是 Server 模式下首选的新生代收集器，且能和（只能和） CMS 收集器配合使用

不在使用-XX:+UseParNewGC开启，改使用 CMS（-XX:+UseConcMarkSweepGC），CMS 新生代默认使用的就是 ParNew

例子：

运行代码同串行收集器一样，就不重复贴了

VM options：

-XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:+PrintGCDetails

执行 log 如下：

垃圾回收基础（TODO） - 图5

Parallel Scavenge / Parallel Old

Parallel Scavenge 是一个应用于新生代的、使用复制算法的、并行的收集器，Parallel Old是它的老年代版本，不过使用的是标记清除算法

跟 ParNew 很类似，但是更关注吞吐量，能最高效率的利用 CPU，适合运行后台应用

使用-XX:+UseParallelGC（或者使用-XX:+UseParallelOldGC）来开启

例子：

运行代码同串行收集器一样，就不重复贴了

VM options：

-XX:+UseParallelGC -XX:+PrintGCDetails

垃圾回收基础（TODO） - 图6

Parallel Scavenge 收集器（新生代）表示为PSYoungGen，Parallel Old（老年代）为ParOldGen

CMS收集器（Concurrent Mark and Sweep）

使用标记清除算法的多线程并发收集的垃圾收集器，分为以下几步

初始标记：只标记 GC Roos 能直接关联到的对象，会发生 STW（Stop-The-World）
并发标记：进行 GC Roots Tracing 的过程
重新标记：修正并发标记期间，因程序运行导致标记发生变化的那一部分对象，会发生 STW
并发清除：并发回收垃圾对象
重置线程：清空跟收集相关的数据并重置，为下一次收集做准备

垃圾回收基础（TODO） - 图7

优点：低停顿（停顿的点只做标记处理，没有执行清理所以会快很多），并发执行
缺点：
- 并发执行，对 CPU 资源压力大
- 无法处理在处理过程中产生的垃圾，可能导致 FullGC
- 采用的标记清除算法会导致大量碎片，从而在分配大对象时可能触发 FullGC

使用-XX:UseConcMarkSweepGC来开启，使用的是 ParNew+CMS+Serial Old 的收集器组合，Serial Old 将作为 CMS 出错的后配收集器

例子与ParNew相同，就不重复了

Java 基础 & 并发基础

垃圾回收基础（TODO）