JVM篇3：GC各种垃圾回收机制及垃圾回收的算法及收集器

骑猪看日落 2023-03-06 05:25 9阅读 0赞

### 文章目录 ###

*   *  本文主要介绍对象引用类型、各种垃圾回收机制及垃圾回收的算法及收集器
     *   *  1.Minor GC和Full GC 有什么不同呢？
         *  2.如何判读对象是否死亡？
         *   *  2.1 引用计数法
             *  2.2 可达性分析法
         *  3.四大引用类型：强引⽤,软引⽤,弱引⽤,虚引⽤
         *   *  3.1 强引⽤(StrongReference)
             *  3.2 软引⽤(SoftReference)
             *  3.3 弱引⽤(WeakReference)
             *  3.4 虚引⽤（PhantomReference）
         *  4. 如何判断⼀个常量是废弃常量?
         *  5.如何判断一个类是无用的类？
         *  6.垃圾收集有哪些算法，各自的特点是什么？
         *   *  6.1 标记-清除算法
             *  6.2 复制算法
             *  6.3 标记-整理算法
             *  6.4 分代收集算法
         *  7.常见的垃圾回收器有哪些？
         *   *  7.1 Serial收集器
             *  7.2 ParNew收集器
             *  7.3 Parallel Scavenge收集器
             *  7.4 Serial Old收集器
             *  7.5 Paraller Old收集器
             *  7.6 CMS收集器
             *  7.7 G1收集器

## 本文主要介绍对象引用类型、各种垃圾回收机制及垃圾回收的算法及收集器 ##

### 1.Minor GC和Full GC 有什么不同呢？ ###

*  大多数情况下，对象在新生代Eden区进行分配，当Eden去没有足够的空间进行分配时，虚拟机将发起一场Minor GC。  
    （1）新生代GC（Minor GC）：指发生在新生代的垃圾回收动作，Minor GC非常频繁，回收速度也较快。  
    （2）老年代GC（Major GC/Full GC）：指发生在老年代的GC，出现了Major GC经常会伴随至少一次的Minor GC（并非绝对），Major GC的速度一般会比Minor GC慢10倍以上。

### 2.如何判读对象是否死亡？ ###

#### 2.1 引用计数法 ####

*  给对象中添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它，计数器就加1，当引用失效，计数器就减1，当计数器为0的时候对象就判定是死亡了。

#### 2.2 可达性分析法 ####

*  基本思想就是通过一系列的称为“GC Roots”的对象作为起点，从这些节点开始向下搜索，节点走过的路径称为引用链，当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连的话，则认为此对象已死。  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ0ODQwMTQ4_size_16_color_FFFFFF_t_70]

### 3.四大引用类型：强引⽤,软引⽤,弱引⽤,虚引⽤ ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ0ODQwMTQ4_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

#### 3.1 强引⽤(StrongReference) ####

*  如果⼀个对象具有强引⽤，那就类似于必不可少的⽣活⽤品，垃圾回收器绝不会回收它。当内存空 间不⾜，Java虚拟机宁愿抛出OutOfMemoryError错误，使程序异常终⽌，也不会靠随意回收具有强引⽤的对象来解决内存不⾜问题。

#### 3.2 软引⽤(SoftReference) ####

*  如果⼀个对象只具有软引⽤，那就类似于可有可⽆的⽣活⽤品。如果内存空间⾜够，垃圾回收器就不会回收它，如果内存空间不⾜了，就会回收这些对象的内存。**只要垃圾回收器没有回收它，该对象就可以被程序使⽤。软引用可以用来实现内存敏感的高速缓存。**
 *  软引用可以和一个引用序列（ReferenceQueue）联合使用，如果软引用所引用的对象被垃圾回收，Java虚拟机就会把这个软引用加入到与之关联的引用队列中。

#### 3.3 弱引⽤(WeakReference) ####

*  如果⼀个对象只具有弱引⽤，那就类似于没啥用的⽣活⽤品。\*\*和软引用的区别在于：只具有弱引用的对象的生命周期更短，不管当前内存空间够不够，GC时都会将它回收。\*\*不过，垃圾回收器是一个优先级很低的线程，因为不一定能很快以发现那些只具有那些弱引用的对象。
 *  弱引⽤可以和⼀个引⽤队列（ReferenceQueue）联合使⽤，如果弱引⽤所引⽤的对象被垃圾回收，Java虚拟机就会把这个弱引⽤加⼊到与之关联的引⽤队列中。

#### 3.4 虚引⽤（PhantomReference） ####

*  "虚引⽤"顾名思义，就是形同虚设，与其他⼏种引⽤都不同，虚引⽤并不会决定对象的⽣命周期。如果⼀个对象仅持有虚引⽤，那么它就和没有任何引⽤⼀样，在任何时候都可能被垃圾回收。**虚引用主要用来跟踪对象被垃圾回收的活动。**
 *  **虚引⽤与软引⽤和弱引⽤的⼀个区别在于： 虚引⽤必须和引⽤队列（ReferenceQueue）联合使⽤**。当垃圾回收器准备回收一个对象的时候，如果发现它还有虚引用，就会在回收对象的内存之前，把这个虚引用加入到与之关联的引用队列中。程序可以通过判断引用队列中是否加入了虚引用，来了解被引用的对象是否将要被垃圾回收。程序如果发现某个虚引⽤已经被加⼊到引⽤队列，那么就可以在所引⽤的对象的内存被回收之前采取必要的⾏动。
 *  **特别注意，在程序设计中⼀般很少使⽤弱引⽤与虚引⽤，使⽤软引⽤的情况较多，这是因为软引⽤可以加速JVM对垃圾内存的回收速度，可以维护系统的运⾏安全，防⽌内存溢出（OutOfMemory）等问题的产⽣。**

### 4. 如何判断⼀个常量是废弃常量? ###

*  运⾏时常量池主要回收的是废弃的常量。那么，我们如何判断⼀个常量是废弃常量呢？  
    假如在常量池中存在字符串 “abc”，**如果当前没有任何String对象引⽤该字符串常量的话，就说明常量"abc" 就是废弃常量**，如果这时发⽣内存回收的话⽽且有必要的话，“abc” 就会被系统清理出常量池。

### 5.如何判断一个类是无用的类？ ###

*  方法区主要回收的是类。那么如何判断一个类是无用的类呢？这里的情况比较苛刻，需要下列3个条件同时满足才行。  
    （1）该类的所有实例都已经被回收，也就是Java堆中不存在该类的任何实例。  
    （2）加载该类的ClassLoader已经被回收。  
    （3）该类对应的java.lang.Class对象没有在任何地方被引用，无法在任何地方通过反射访问该类的方法。

### 6.垃圾收集有哪些算法，各自的特点是什么？ ###

#### 6.1 标记-清除算法 ####

*  该算法分为“标记”和“清除”两个阶段：首先标记出所有需要回收的对象，在标记完成后统一进行回收所有被标记的对象。它是最基础的收集算法，后续的算法都是对其不足进行改进得到的。
 *  该算法有下列缺陷：  
    （1）效率问题  
    （2）空间问题（标记清除后会产生大量且不连续的碎片）  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ0ODQwMTQ4_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

#### 6.2 复制算法 ####

*  该算法将内存分为大小相同的两块，每次使用其中的一块。当这一块的内存使用完后，就将需要存活的对象复制到另一块去，然后把这块使用的空间一次清理掉，这样就使每次回收的内存都是对内存空间的一半进行回收。  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ0ODQwMTQ4_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

#### 6.3 标记-整理算法 ####

*  根据老年代的特点得出的一种标记算法，标记过程仍然与“标记-清除”算法一样，但后续的步骤不是直接对可回收的对象进行回收，而是让需要存活的对象向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存，这样达到减少内存碎片的目的。![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ0ODQwMTQ4_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]

#### 6.4 分代收集算法 ####

*  该算法根据对象的存活周期的不同将内存分为好几块，**一般将Java堆分为新生代和老年代，这样我们就可以根据各个年代的特点选择合适的垃圾收集算法。**
 *  ⽐如在新⽣代中，每次收集都会有⼤量对象死去，所以可以选择复制算法，只需要付出少量对象的复制成本就可以完成每次垃圾收集。⽽⽼年代的对象存活⼏率是⽐较⾼的，⽽且没有额外的空间对它进⾏分配担保，所以我们必须选择“标记-清除”或“标记-整理”算法进⾏垃圾收集。

### 7.常见的垃圾回收器有哪些？ ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ0ODQwMTQ4_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]

#### 7.1 Serial收集器 ####

![在这里插入图片描述][2020080711351586.png]

*  Serial(串行)收集器是最基本的收集器，它的特点是一个单线程收集器。但是这里的“单线程”的意义不仅仅意味着它只会使用一条垃圾收集线程去完成垃圾收集工作，**更重要的是它在进行垃圾收集工作的时候必须暂停其他所有的工作线程（也称“stop the world”），直到它工作结束。**  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ0ODQwMTQ4_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]
 *  此收集器的缺点：暂停其他工作线程时的用户体验不好。  
    优点：与其他收集器的单线程相比简单高效，没有线程交互的开销，对于运行在Client模式下的虚拟机来说是个不错的选择。

#### 7.2 ParNew收集器 ####

*  ParNew收集器其实就是Serial收集器的多线程版本，其余行为和Serial一样。  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ0ODQwMTQ4_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]
 *  它是许多运行在Server模式下的虚拟机的首要选择，除了Serial收集器外，只有它能与CMS收集器（真正意义上的并发收集器）配合⼯作。
 *  并行和并发的概念补充：  
    **（1）并行（Parallel）：指多条垃圾收集线程并行工作，但此时用户线程仍然处于等待状态。  
    （2）并发（Concurrent）：指用户线程与垃圾收集线程同时执行（但不一定是并行，可能会交替执行），用户程序继续运行，而垃圾收集器运行在另一个CPU上。**

#### 7.3 Parallel Scavenge收集器 ####

Parallel Scavenge收集器类似于ParNew收集器，但也有一些特别之处。

-XX:+UseParallelGC
     	使⽤Parallel收集器+ ⽼年代串⾏
    -XX:+UseParallelOldGC
     	使⽤Parallel收集器+ ⽼年代并⾏

*  **Parallel Scavenge收集器的关注点是吞吐量（高效率的利用CPU），而CMS等收集器的关注点更多的是用户线程的停顿时间（提高用户体验）。所谓吞吐量就是CPU中用于运行用户代码的时间与CPU总消耗时间的比值。**
 *  Parallel Scavenge收集器提供了很多参数供⽤户找到最合适的停顿时间或最⼤吞吐量，如果对于收集器运作不太了解的话及⼿⼯优化存在问题的话可以选择把内存管理优化交给虚拟机去完成也是⼀个不错的选择。  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ0ODQwMTQ4_size_16_color_FFFFFF_t_70 8]

#### 7.4 Serial Old收集器 ####

*  Serial收集器的老年代版本，同样是一个单线程的收集器。
 *  主要有两个用途：  
    （1）在JDK1.5及以前的版本中与Parallel Scavenge收集器搭配使用。  
    （2）作为CMS收集器的后备方案。

#### 7.5 Paraller Old收集器 ####

*  Parallel Scavenge收集器的⽼年代版本，使⽤多线程和“标记-整理”算法。在注重吞吐量以及CPU资源的场合，都可以优先考虑 Parallel Scavenge收集器和Parallel Old收集器。

#### 7.6 CMS收集器 ####

*  **CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器**，⾮常注重⽤户体验的应⽤上使⽤，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。
 *  CMS收集器是一种“标记-清除”算法实现的。它的运作过程分为4个步骤：  
    （1）**初始标记**：暂停所有的其他线程，并记录下直接与root相连的对象，速度很快。  
    （2）**并发标记**：同时开启GC和用户线程，**用一个闭包结构去记录可达对象。但在这个阶段结束的时候，这个闭包结构并不能保证包含当前所有的可达对象，因为用户线程可能会不断的更新引用域，所以GC线程无法保证可达性分析的实时性。所以这个算法里会跟踪记录这些发生引用更新的地方。**  
    （3）**重新标记**：**重新标记阶段就是为了修正并发标记期间因为用户程序继续运行而导致标记产生变动的那一部分对象的标记记录**，这个阶段的停顿时间一般会比初始标记阶段的时间稍长，但远远比并发标记阶段时间短。  
    （4）**并发清除**：开启用户线程，同时GC线程开始对标记的区域进行清扫。  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ0ODQwMTQ4_size_16_color_FFFFFF_t_70 9]
 *  CMS收集器的主要优点：**并发收集、低停顿**。  
    明显的缺点也有：  
    （1）对CPU资源敏感。  
    （2）无法处理浮动垃圾。  
    （3）使用的“标记-清除”算法会导致收集结束时产生大量的空间碎片。
 *  问题1：为什么并发标记会产生浮动垃圾？  
    因为第二次标记是和用户线程并行的，因此用户线程可能会随时对一个标记为可达的对象进行修改成不可达，例如a引用了b，此时b被扫描为可达，但是用户线程之后对a.b=null，这个时候b依然作为可达的，因此就成了浮动垃圾。
 *  问题2：除了浮动垃圾外，并发标记还有什么问题：？  
    **对象消失的问题**，因为用户线程和gc线程并行，不仅仅用户会把之前标记为可达的对象改为没有引用外，还会对一个理论上不可达的对象变的可达，例如a.b=c c.d=e, 如果gc只扫描到了b，然后用户线程突然把b.c=null，c.d = a.d ；这个时候 c已经不可达了，虽然d被a.d引用，但是由于gc认为a已经被扫描过了，因此d就是一个不可达的对象，会被清理掉。
 *  问题：如果防治对象消失的？  
    jvm在执行引用赋值的时候实际上也运用了类似aop的技术原理，即在赋值前后进行around通知，来进行修改，对于cms收集器，可以对黑色节点加入白色之后进行修改源节点色颜色，使黑色变成灰色。原理是通过一个写屏障，在对引用赋值时，加入屏障进行aop执行。  
    对于g1收集器，则是完全对灰色节点进行重新扫描。

#### 7.7 G1收集器 ####

*  **G1（Garbage-First）是一款面向服务器的垃圾收集器，主要针对配备多颗处理器以及大容量内存的机器，以极高的概率满足GC停顿时间要求的同时，还具备吞吐量性能特征。**
 *  G1收集器具备以下特点：  
    （1）**并行与并发**：G1可以充分利用CPU、多核环境下的硬件优势，使用多个CPU（CPU或者CPU核心）来缩短停顿的时间。**部分其他收集器原本需要停顿Java线程执⾏的GC动作，G1收集器仍然可以通过并发的⽅式让java程序继续执⾏。**  
    （2）**分代收集**：虽然G1可以不需要其他收集器配合就可以独立管理整个GC堆，但是还是保留了分代的概念。  
    （3）**空间整合**：与CMS的“标记-清除”算法不同，G1从整体来看是基于“标记-整理”算法实现的收集器；从局部上来看是基于“复制”算法实现的。  
    （4）**可预测的停顿**：这是G1相对于CMS的另⼀个⼤优势，降低停顿时间是G1 和 CMS 共同的关注点，**但G1 除了追求低停顿外，还能建⽴可预测的停顿时间模型，能让使⽤者明确指定在⼀个⻓度为M毫秒的时间⽚段内。**
 *  G1收集器的运作大致分为以下几个步骤：  
    （1）**初始标记（initial mark，STW）** ：在此阶段，G1 收集器GC 对根进行标记。该阶段与常规的 (STW) 年轻代垃圾回收密切相关。  
    （2）**根区域扫描（root region scan）**：G1 收集器GC 在初始标记的存活区扫描对老年代的引用，并标记被引用的对象。该阶段与应用程序（非 STW）同时运行，并且只有完成该阶段后，才能开始下一次 STW 年轻代垃圾回收。  
    （3）**并发标记（Concurrent Marking）**：在整个堆中查找可访问的（存活的）对象。该阶段与应用程序同时运行，可以被 STW 年轻代垃圾回收中断。  
    （4）**最终标记（Remark，STW）** ：该阶段是 STW 回收，帮助完成标记周期。G1 收集器GC 清空 SATB 缓冲区，跟踪未被访问的存活对象，并执行引用处理。  
    （5）**清除垃圾（Cleanup，STW）**：在这个最后阶段，G1 收集器GC 执行统计和 RSet 净化的 STW 操作。在统计期间，G1 收集器GC 会识别完全空闲的区域和可供进行混合垃圾回收的区域。清理阶段在将空白区域重置并返回到空闲列表时为部分并发。
 *  **G1收集器在后台维护了一个优选列表，每次根据允许的收集时间，优先选择回收价值最大的Region（区域）**。这种使⽤Region划分内存空间以及有优先级的区域回收⽅式，保证了GF收集器在有限时间内可以尽可能⾼的收集效率（把内存化整为零）。

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