第三章 垃圾收集器与内存分配策略

　　

3.2 哪些对象需要回收

　　3.2.1 引用计数法

　　对象持有一个计数器，有地方引用则计数器加1，当引用失效时减1，计数器为零时回收。存在环形引用无法回收问题。

　　3.2.2 可达性分析

　　当对象和GC Roots对象之间没有引用路径时，需要回收。

　　GC Roots对象：

1. 虚拟机栈中引用的对象
2. 方法区中静态属性引用的对象
3. 方法区中常量引用的变量
4. 本地方法栈中引用的对象
5. 基本数据类型对应的Class对象，常驻异常对象，系统类加载器
6. 被同步锁持有的对象

　　除此之外，当局部回收时，如果有对象被回收区域以外的对象引用，也需要把引用的对象加入GC Root对象中。

　　3.2.3 引用关系类型

1. 强引用关系：Object o = new Object()；只要还有引用关系，被引用对象不会被回收。
2. 软引用关系：SoftReference<Object> reference  = new SoftReference<>(new Object())；在将要发生OOM时回收；
3. 弱引用关系：WeakReference<Object> reference = new WeakReference<>(new Object())；当垃圾收集发生时，就会回收；
4. 虚引用关系：对对象的生存时间不造成影响，无法通过虚引用找到对象实例。

　　3.2.4 是否需要回收

1. 与GC Roots对象有没有引用路径
2. 是否需要执行finalize()方法。若没有覆盖finalize()方法，或者finalize()方法已经被虚拟机调用过，则判定为没有必要执行，直接回收。如果需要执行，放入F-Queue队列中，有一个Finalizer线程启动finalize()方法，如果在该方法中重新关联到GC Roots的引用链上，可以避免回收。

　　3.2.5 回收方法区

1. 废弃的常量
2. 不再使用的类型：
   1. 该类及派生子类的所有实例都被回收
   2. 加载该类的类加载器被回收
   3. Class对象没有在任何地方被引用，无法通过反射访问该类的方法

3.3 垃圾收集算法

• Partial GC(部分收集)
  • Minor GC(新生代收集)
  • Major GC(老年代收集)
  • Mixed GC(混合收集)
• Full GC(整堆收集)

　　3.3.1 分代收集理论

　　当前商业虚拟机的垃圾收集器，大都遵循了"分代收集"理论进行设计，"分代收集"理论是符合

1. 弱分代假说：绝大多数对象都是朝生夕灭
2. 强分代假说：熬过越多次垃圾收集过程的对象越难被回收

 　　收集器应该将java堆划分成不同的区域，不同区域的回收频率不同。但是，不同区域之间的对象可能存在引用关系

　 3. 跨代引用假说：跨代引用相对于同代引用仅占极少数

　　 根据假说3，不需要在跨代引用时扫描整个老年代，只需要在新生代上建立一个全局的数据结构(记忆集)，将老年代划分成若干小块，标志出哪一个小块存在跨代引用，在Minor GC时，只有包含了跨代引用的小块内存才加入到GC Roots进行扫描。在对象引用关系改变时，会增加一些维护开销。

　　3.3.2 标记-清除算法

　　标记需要清除的对象，统一回收。

　　缺点：(1)标记和清除操作开销随垃圾对象增加而增加 (2)内存碎片化

　　3.3.3 标记-复制算法

　　将内存空间划分成两部分，每次使用其中一部分，需要清理时，将保留的对象复制到另一部分内存中，然后整块清除。

　　缺点：(1)内存使用率低 (2)当存活的对象很多时，复制操作消耗高

　　3.3.4 标记-整理算法

　　在标记后，将存活的对象移动到内存空间的一端，清理掉边界以外的内存。

　　缺点：(1)当存活的对象很多时，移动操作消耗高，且需要暂停用户程序(ZGC和Shenandoah除外)

3.4 HotSpot算法实现细节

　　3.4.6 可达性分析

　　在并发标记阶段，标记线程和用户线程同时运行，一个对象的的引用关系，在标记之后可能会发生变化。

　　三色标记　　

　　黑色节点：当前对象被垃圾回收器访问，且所有引用都以扫描，安全存活，本次回收中不会被再次扫描

　　灰色节点：当前对象被垃圾回收器访问，至少有一个引用未被扫描

　　白色节点：当前对象未被垃圾回收器访问，标记开始阶段，所有节点都是白色，在标记结束后，若还是白色，则会被回收

　　并发标记的问题：

1. 标记为黑色的变为白色：浮动垃圾
2. 标记为白色的变为黑色：对象消失

　　当且仅当以下两个条件同时满足时，会导致对象消失

1. 新增了一条从黑节点到白节点的引用
2. 删除了一条从灰节点到白节点的直接/间接引用

　　所以解决对象消失问题的办法即破坏其中一个条件：

1. （破坏条件1）增量更新：每增加一个黑节点到白节点的引用，记录新增引用，标记完毕后，以每个引用上的黑色节点为根，重新扫描。应用在CMS回收器
2. （破坏条件2）原始快照：每删除一条灰节点到白节点的引用，记录删除的引用，标记完毕后，以每个引用上的灰色节点为根，重新扫描。应用在G1回收器

　　应用原始快照的G1回收器，为了解决新增白色节点引用黑色节点导致对象消失的问题，G1为每个Region设计了两个名叫TAMS的指针，在Region中划分了一部分内存用于并发标记阶段产生的新对象，这些新对象的内存地址保证在TAMS指针指向的地址之上。G1默认这部分内存地址都是隐形标记的，默认存活。

　　CMS和G1只解决了对象消失的问题，依然会产生浮动垃圾。

3.5 经典垃圾收集器

　　并行：多个垃圾收集线程配合工作

　　并发：垃圾收集线程和用户线程同时进行

　　3.5.1 Serial收集器/Serial Old收集器

　　单线程。新生代采用复制算法，老年代采用标记-整理算法。垃圾收集期间暂停用户线程。

　　3.5.2 ParNew 收集器

　　并行。新生代采用复制算法。垃圾收集期间暂停用户线程。因为多个回收线程并行，吞吐率高，但停顿时间会比较长。

　　3.5.3 Parallel Scavenge收集器

　　吞吐率：运行用户代码的时间/(运行用户代码的时间+运行垃圾收集的时间)

　　并行。可控的吞吐率，高吞吐率可以最高效率地利用处理器资源，尽快完成程序的运算任务，适合在后台运算而不需要太多交互的任务。低吞吐率，则减少系统的卡顿感，但延迟了垃圾线程的工作时间，适合和用户交互的任务。

　　3.5.4 Parallel Old收集器

　　Parallel Scavenge收集器的老年代版本。

　　3.5.5 CMS收集器

　　老年代垃圾处理器，标记-清除

• • 初始标记（标记GC Roots） 单线程，暂停用户线程。
  • 并发标记（标记引用链）并发
  • 重新标记（修正并发标记阶段引用关系变化的部分）并行，暂停用户线程
  • 并发清除（清除垃圾对象）并发

　　优点：以最短停顿时间为目标，停顿发生在初始标记和重新标记阶段，初始标记时间很短，而因为并发标记的关系，重新标记也很短，适合跟用户交互的系统。

　　缺点：并发阶段，占用了处理器资源，降低了吞吐量。在并发阶段，由于用户线程依然运行，会产生浮动垃圾，所以不能等到老年代空间快满时才回收。因为是标记整理会产生内存碎片。

　　改进：

1. 针对浮动垃圾，CMS默认当内存占用达到一定比例时即开始回收。JDK5默认68%，JDK6默认92%。如果在并发标记阶段内存不够分配，将会启用Serial Old收集器进行老年代垃圾回收，会产生长时间停顿。
2. 针对内存碎片，提出了两个方案：(1)在即将进行Full GC时进行内存整理，无法并发 (2)在若干次不进行整理的Full GC之后，下一次进入Full GC之前进行整理 两种方案均在JDK9废弃
3. CPU敏感问题，并发阶段，垃圾收集线程数(cpu核心+3)/4，当cpu不足4时，占用线程数高导致应用程序变慢，因此提出了增量式并发收集器，在并发阶段，交替执行回收线程和用户线程。延长了回收时间，但速度变慢减缓。在JDK9被废弃

　　3.5.6 G1收集器

　　将内存区域划分成等量大小的Region块，保留新生代和老年代的概念。将Region作为单次回收的最小单元，按照每个Region回收的价值大小维护一个优先级列表，根据用户设定的停顿时间决定回收哪些区域。在延迟可控的情况下获得尽可能高的吞吐量。

• • 初始标记（标记GC Roots直接关联的对象）单线程，暂停用户线程。
  • 并发标记（标记引用链）并发
  • 最终标记（标记引用链）并行，暂停用户线程。
  • 筛选回收（根据回收价值对Region排序，根据用户期望的停顿时间制定回收计划）暂停用户线程。

　　缺点：占用内存比大约相当于java堆容量的10%~20%。

　　3.5.7 高吞吐量和低停顿

　　吞吐量高指的是用户线程占用CPU时间多，低停顿是指GC时stop the world事件比较短。这两者有时是相冲的，思考一下，一个GC任务，如果全力去做只要1秒钟，但是会暂停用户线程，造成卡顿，那么我们将其拆散成多个小任务，每次花费200毫秒，虽然停顿事件短了，但因为上下文切换等问题，拆成的任务多达8个，那么总的回收时间则是1.6秒，降低了吞吐量。

3.8  内存分配和回收策略

• 对象优先在Eden分配，当空间不足时，触发Minor GC。
• 大对象直接进入老年代，譬如很长的字符串和元素很多的数组。避免高额的内存复制开销。直接进入老年代也是为了避免在新生代的Eden空间和两个Survivor空间来回复制产生的大量复制操作。
• 长期存活的对象将进入老年代，虚拟机给每个对象定义了一个年龄计数器，存放在对象头中，当对象从Eden晋升到Survivor中，年龄增加1，此后每次在Minor GC中存活，则年龄增加1。当达到设定值时，荣升老年代。
• 动态对象年龄判定，当然也不是必须要达到设置值时才会进入老年代，考虑到极限情况，当一个年龄层的对象总数大于Survivor一半的时候，该年龄被判定为高龄，这之上(包含)的对象都将进入老年代。
• 空间分配担保，在发生Minor GC之前，老年代会检查剩余空间是否能容纳新生代所有对象，如果不行，则查看是否允许担保失败(-XX:HandlePromotionFailure)，如果允许，则根据历史经验判断，老年代是否能容纳以往进入老年代对象的平均大小，如果可以，则进行一次有风险的Minor GC，如果不行或者不允许担保失败，那么则进行Full GC。

3.9 两个Survivor区

　　新生代，一次只用Eden和一个survivor。比如使用Eden和survivor0，发生回收后，将剩余的对象复制到survivor1，并清除Eden和survivor0，下次使用Eden和survivor1。这样的好处是，避免产生内存碎片