（五）Java虚拟机——垃圾回收机制

对比其他语言

C++/C（手动回收）

这类语言没有自动垃圾回收机制，一个对象如果不再使用，需要手动释放，否则就会出现内存泄漏。

内存泄漏：指的是不再使用的对象再系统中未被回收，内存泄漏的积累可能会导致内存溢出。

• 优点：回收及时性高，由程序员把控回收时机。
• 缺点：编写不当容易出现悬空指针、重复释放、内存泄漏等问题。

Java/C#/Go/Python（自动回收）

通过垃圾回收器对不再使用的对象完成自动的回收，垃圾回收器主要负责对堆上的内存进行回收。

• 优点：降低程序员实现难度、降低对象回收bug的可能性。
• 缺点：程序员无法控制内存回收的及时性。

应用场景：

• 解决系统僵死的问题：大厂的系统出现许多系统僵死问题都与频繁的垃圾回收有关。
• 性能优化：对垃圾回收器进行合理的设置可以有效地提升程序的执行性能。

方法区回收

回收内容主要就是不再使用的类

线程不共享的部分，都是伴随着线程的创建而创建，线程的销毁而销毁。

方法的栈帧在执行完方法之后，就会自动弹出出栈并释放掉对应的内存。

判定一个类可以被卸载，需要同时满足下面的三个条件：

1. 此类所有实例对象都以及被回收，在堆中不存在任何该类的实例对象以及类对象。
2. 加载该类的类加载器已经被回收。
3. 该类对应的java.lang.Class对象没有在任何地方被引用。

可以手动触发垃圾回收，可以调用 System.gc()方法

注意：System.gc()仅仅是向Java虚拟机发送一个垃圾回收的请求，具体是否需要执行垃圾回收，Java虚拟机会自行判断。

堆回收

Java中的对象是否能被回收，是根据对象是否被引用来决定的。

判断对象是否被引用：引用计数法和可达性分析法。

引用计数法

应用计数法会为每个对象维护一个引用计数器，当对象被引用时加1，取消引用减1。

引用计数法的优点是实现简单，C++中的智能指针就采用了引用计数法

缺点：

1. 每次引用和取消引用都需要维护计数器，对系统性能有一定影响。
2. 存在循环引用问，所谓循环引用就是当A引用B，B也引用A会出现对象无法回收的问题

以下段代码为例，A的对象里面引用B，B的对象引用A，将栈中的AB去掉，实例对象在栈中已经没有变量引用，由于A、B的引用计数器是1，不会被回收，出现了内存泄漏。

可达性分析法

可达性分析法将对象分为两类：垃圾回收的根对象（GC Root）和普通对象，对象与对象之间存在引用关系。

如下图：A到B再到C和D，形成了引用链，可达性分析法指出，如果从某个到GC Root对象是可达的，对象就不可被会回收。

GC Root对象：

• 线程Thread对象，引用线程栈帧中的方法参数、局部变量等。
• 系统类加载器加载的java.lang.Class对象，引用类中的静态变量（eg:应用类加载器）
• 监视器对象，用来保存同步锁synchronized关键字持有的对象。
• 本地方法调用时使用的全局对象。

下面代码使用可达性分析法，实例对象AB在栈中已经没有变量引用，GC Root不能引用到AB的实例对象，AB会被回收。

对象引用 

• 强引用：可达性分析描述的引用
• 软引用：软引用相对于强引用是一种比较弱的引用关系，如果一个对象只有软引用关联到它，当程序内存不足时，就会将软引用中的数据进行回收。（常用于缓存）
• 弱引用：弱引用的整体机制和软引用基本一致，区别在于弱引用包含的对象在垃圾回收时，不管内存够不够都会直接被回收。
• 虚引用：也叫幽灵引用/幻影引用，不能通过虚引用对象获取到包含的对象。虚引用唯一的用途是当对象被垃圾回 收器回收时可以接收到对应的通知。Java中使用PhantomReference实现了虚引用，直接内存中为了及时知道 直接内存对象不再使用，从而回收内存，使用了虚引用来实现。（常规开发不会使用）
• 终结器引用：指的是在对象需要被回收时，终结器引用会关联对象并放置在Finalizer类中的引用队列中，在稍后 由一条由FinalizerThread线程从队列中获取对象，然后执行对象的finalize方法，在对象第二次被回收时，该 对象才真正的被回收。在这个过程中可以在finalize方法中再将自身对象使用强引用关联上，但是不建议这样做。（常规开发不会使用）

软引用

软引用的执行过程：

1. 将对象使用软引用包装起来，new SoftReference<对象类型>（对象）。
2. 内存不足时，虚拟机尝试进行垃圾回收。
3. 如果垃圾回收仍不能解决内存不足的问题，回收软引用中的对象。
4. 如果内存依然不足，抛出OutOfMemory异常。

垃圾回收算法（GC算法）

垃圾回收需要做的事情：

1. 找到内存中存活的对象。
2. 释放不再存货对象的内存，使得程序能再次利用这部分空间。

垃圾回收算法的评价标准

STW（Stop The World）:Java垃圾回收过程会通过单独的GC线程来完成，不管哪一种GC算法，都会有部分阶段需要停止所有的用户线程。

判断算法是否优秀

• 吞吐量：指的是CPU用与执行用户代码的时间与CPU总执行时间的比值，即吞吐量 = 执行用户代码时间 / （执行用户代码时间 + GC时间）吞吐量数值越高，垃圾回收效率越高。
• STW：STW最大停顿时间越短，越好。
• 堆使用效率：不用垃圾回收算法，对堆的使用方式不用。

这三中评价标准：吞吐量、STW最大停顿时间和堆的使用效率不可兼得。

一般来说，堆内存越大，STW最大停顿时间越长；减少最大停顿时间，就会降低吞吐量。

所以不用的垃圾回收算法适用于不同的场景。 

标记清除算法（整个内存处理）

标记清除算法分为两个阶段：

1. 标记阶段，将所有存活对象进行标记。使用可达性分析法，从GC Root开始通过引用链遍历出所有存活对象。
2. 清除阶段，从内存中删除没有被标记也就是非存活对象。

标记清除算法的优缺点：

• 优点：实现简单，只需要在第一阶段给每个对象维护标志位，第二阶段删除对象即可。
• 缺点：
  • 碎片化：由于内存是连续的，在对象被删除之后，内存中会出现很多细小的可用内存单元。如果需要一个比较大的空间，很可能这些内存单元的大小过小无法进行分配。
  • 分配速度慢：由于内存碎片化，需要维护一个空闲链表，极有可能发生每次需要遍历到链表最后才能获得合适的内存空间。

复制算法（一半内存处理）

复制算法的核心思想：

1. 准备两块空间From空间和To空间，每次在对象分配阶段，只能使用一半空间。
2. 在垃圾回收GC阶段，将From中存活的对象复制到To空间。
3. 将两块空间From和To名字互换。

复制算法的优缺点：

• 优点：
  • 吞吐量高：复制算法只需要遍历一次存活对象复制带To空间即可
  • 不会发生碎片化：复制算法在复制之后就会将对象按顺序放入To空间中，所以对象以外的区域都是可用空间，不存在碎片化内存空间。
• 缺点：内存使用率低：每次只能让一半空间来为创建对象使用。

标记整理算法

标记整理算法也叫标记压缩算法，是对标记清理算法中容易产生内存碎片问题的一种解决方案。

核心思想：

1. 标记阶段：将所有存活的对象进行标记。Java中使用可达性分析算法，从GC Root开始通过引用链遍历出所有存活对象。
2. 整理阶段：将存活对象移动到堆的一端，清理掉存活对象的内存空间。

标记整理算法的优缺点：

• 优点：
  • 内存使用效率高：整个堆内存都可以使用，不会像复制算法只能使用半个堆内存。
  • 不会发生碎片化：在整理阶段可以将对象往内存的一侧进行移动，剩下的空间都是可以分配对象的有效空间。
• 缺点：整理阶段效率不高 ，比如Lisp2整理算法需要堆整个堆中的对象搜索三次。

分代垃圾回收算法

现代优秀的垃圾回收算法，会将上述描述的垃圾回收算法组合进行使用，其中应用最广的就是分代回收算法。

分代垃圾回收将整个内存区域划分为年轻代和老年代。

年轻代：存放存活时间比较短的对象。

老年代：存放存活时间比较长的对象，是一整块区域。

分代回收时，创建出来的对象，首先会被放入Eden区

随着对象在Eden区越来越多，如果Eden区满了，新创建的对象已经无法放入，就会触发年轻代GC，称为Minor GC或Young GC。

Minor GC运用复制算法，使用的区域是S0和S1，把需要回收的对象回收。

注意：每次Minor GC中都会为对象记录他的年龄，初始值为0，每次GC完加1。

如果Minor GC后对象的年龄达到阈值（最大值为15，默认值与垃圾回收器有关），对象就会被晋级升至老年代。

当老年代空间不足时，先尝试Minor GC，如果还是不足，就会触发FulL GC，Full GC会对整个堆进行垃圾回收。

特殊情况：

1. 年轻代空间不足时，且经过Minor GC仍然不足时，会将年龄未达到的对象，放入老年代中。
2. 老年代空间不足时，且经过Minor GC仍然不足时，将先前因年轻代空间不足提前放到老年代的对象，放回年轻代。

分代GC算法将堆分为年轻代和老年代注意原因：

1. 可以通过调整年轻代和老年代的比例来适应不同类型的应用程序，提高内存的利用率和性能。
2. 年轻代和老年代使用不同的垃圾回收算法，年轻代一般选择复制算法，老年代可以选择标记-清除和标记-整理算法，由程序员来选择灵活度较高。
3. 分代的设计中只允许回收年轻代，如果能满足对象分配的要求就不需要对整个堆进行回收，STW时间就会减少。

垃圾回收器组合——Serial 和  Serial Old

年轻代——Serial垃圾回收器

serial垃圾回收器是一种单线程串行回收年轻代的垃圾回收器。

当进行垃圾回收的时候，会停止所有用户线程。

• 回收年代：年轻代
• 算法：复制算法
• 优点：单CPU处理器下吞吐量非常出色
• 缺点：多CPU吞吐量不如其他垃圾回收器，堆如果偏大会让用户线程处于长时间的等待
• 适用场景：Java编写的客户端程序或者硬件配置有限的场景

老年代——Serial垃圾回收器

Serial Old是Serial垃圾回收器的老年代版本，采用单线程串行回收。

当进行垃圾回收的时候，会停止所有用户线程。

• 回收年代：老年代
• 算法：标记-整理算法
• 优点：单CPU处理器下吞吐量非常出色
• 缺点：多CPU吞吐量不如其他垃圾回收器，堆如果偏大会让用户线程处于长时间的等待
• 适用场景：与Serial垃圾回收器搭配使用或者在CMS特殊情况下使用

垃圾回收器组合——ParNew和CMS

年轻代——ParNew垃圾回收器

ParNew垃圾回收器本质是对Serial在多CPU下的优化，使用多线程进行垃圾回收

当进行垃圾回收的时候，会使用多线程进行回收，这是与Serial最大的不用。

• 回收年代：年轻代
• 算法：复制算法
• 优点：多CPU处理器下停顿时间较短
• 缺点：吞吐量和停顿时间不如G1
• 适用场景：JDK8之前的版本中，与CMS老年代垃圾回收器搭配使用

老年代——CMS垃圾回收器

CMS（Concurrent Mak）垃圾回收器关注的是系统的暂停时间，允许用户线程和垃圾回收线程在某些步骤中同时执行，减少了用户线程的等待时间。

执行步骤：

1. 初始标记：用极短的时间标记出GC Root能直接关联的对象。(可达性分析算法标记)
2. 并发标记：标记所有的对象（可回收和不可回收），用户线程不需要停止。
3. 重新标记：由于并发标记阶段有些对象会发生了变化，存在错标、漏标等情况，需要重新标记。
4. 并发清除：清理死亡的对象，用户线程不需要暂停。

• 回收年代：老年代
• 算法：标记清除算法
• 优点：系统由于垃圾回收出现的停顿时间较短，用户体验好
• 缺点：内存碎片化、退化问题、浮动垃圾问题。
• 适用场景：大型 互联网系统中用户请求数据量大、频率高的场景。比如订单接口、商品接口等。

CMS垃圾回收器存在的问题

1. CMS使用了标记-清除算法，在垃圾回收结束之后会出现大量的内存碎片，CMS会在Full GC时进行碎片化的整理。
2. 无法处理在并发清理过程中产生的“浮动垃圾”，不能做到完全的垃圾回收。
3. 如果老年代内存不足无法分配对象，CMS就会退化成Serial Old单线程回收老年代。

垃圾回收器组合——Parallel Scavenge和Parallel Old

年轻代——Parallel Scavenge垃圾回收器

Parallel Scavenge是JDK8默认的年轻代垃圾回收器，多线程并行回收，关注的是系统的吞吐量。具备自动调整堆内存大小的特点。

• 回收年代：年轻代
• 算法：复制算法
• 优点：吞吐量高，而且手动可控，为了提高吞吐量，虚拟机会动态调整堆的参数
• 缺点：不能保证单次的停顿时间
• 适用场景：后台任务，不需要与用户交互，并且容易产生大量的对象。比如：大数据的处理，大文件导出

老年代——Parallel Old垃圾回收器

 Parallel Old是为了Parallel Scavenge收集器设计的老年代版本，利用多线程并发收集。

• 回收年代：老年代
• 算法：标记-整理算法
• 优点：并发收集，在多核CPU下效率较高
• 缺点：暂停时间会比较长
• 适用场景：与Parallel Scavenge配套使用

G1垃圾回收器

JDK9之后默认的垃圾回收器G1(Garbage First)垃圾回收器

Parallel Scavenge关注吞吐量，允许用户设置最大暂停时间，但是会减少年轻代可用空间的大小。

CMS关注暂停时间，但是吞吐量方面会下降。

而G1设计目标就是将上述两种垃圾回收器的优点融合：

1. 支持巨大的堆空间回收，并由较高的吞吐量。
2. 支持多CPU并行垃圾回收。
3. 允许用户设置最大暂停时间。

G1的整个堆会被划分成多个大小相等的区域，称之为Region，区域不要求是连续的，分为Eden，Survivor、Old区。Region的大小通过堆空间大小/2048计算得到，也可以通过参数指定大小，Region size必须是2的指数幂，取值范围从1M到32M。

G1垃圾回收方式;

1. 年轻代回收（Young GC）:回收Eden区和Survivor区不用的对象。会导致STW，G1中可以通过参数调整每次垃圾回收时的最大暂停时间毫秒数，G1垃圾回收器会尽可能地保证暂停时间。
2. 混合回收（Mixed GC）

G1垃圾回收器执行流程

1. 新创建的对象会存放在Eden区。当G1判断年轻代不足（年轻代设置大小的60%），无法分配对象时需要回收时会执行Young GC。
2. 标记出Eden和Survivor区域中的存活对象。
3. 根据配置的最大暂停时间选择某些区域将存放对象复制到一个新的Survivor区中（年龄加1），清空这些区域。
4. 后续Young GC时与之前相同，只不过Survivor区中存活对象会被搬运到另一个Survivor区。
5. 当某个对象年龄达到阈值时，将会被放入老年代。
6. 部分对象如果大小超过Region的一半，会直接放入老年代，这类老年代被称为Humongous区。
7. 多次回收之后，会出现很多老年代区，此时总堆占有率达到阈值，会触发混合回收MixedGC。回收所有年轻代和部分老年代的对象及大对象区。（复制算法完成）

G1垃圾回收器-混合回收

• 混合回收分为：初始标记、并发标记、最终标记、并发清理

• G1堆老年代的清理会选择存活度最低的区域来进行回收，这样可以保证回收率最高

G1回收器-Full GC

如果清理过程中发现没人足够的空Region存放转移的对象，会出现Full GC。单线程执行标记-整理算法，此时会导致用户线程的暂停，所以尽量保证应该用的堆内存有一定多余的空间。

G1垃圾回收器-Garbage First垃圾回收器

• 回收年代：老年代和年轻代
• 算法：复制算法
• 优点：对比较大的堆如超过6G的堆回收时，延迟可控；不会产生内存碎片；并发标记的SATB算法效率高
• 缺点：JDK8之前还不够成熟
• 适用场景：JDK8最新版本、JDK9之后建议默认使用