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前置知识
这篇文章的内容会涉及以下前置 / 相关知识，贴心的我都帮你准备好了，请享用~
- Java 内存分配模型：Java 虚拟机 | 内存分配模型
- 虚拟机中的对象：Java 虚拟机 | 拿放大镜看对象
- 引用类型：Java | 引用类型 & Finalizer 机制
1. 垃圾回收概述
垃圾回收机制（Garbage Collection，GC） 是一种自动的内存管理机制，即：当内存中的对象不再需要时，就自动释放以让出存储空间。
垃圾回收机制是 Java 虚拟机的重要特性之一，同时也是面试重要考点之一。在实践中，由于 GC 会占用程序运行资源，欲进行更有深度的内存性能优化也需要对垃圾回收机制有一定理解。
在讨论垃圾回收机制的时候，需要讨论的以下三个问题，你可以带着这三个问题阅读后面的内容，思路会更清晰。
- 回收的对象： 哪些对象 / 区域需要回收？
- 回收的时机： 什么时候触发 GC？
- 回收的过程： 如何回收？
1.1 GC 相关概念
这一节，我们先罗列一些 GC 相关知识中比较重要的概念：
| 概念 | 描述 |
| collector | 表示程序中负责垃圾回收的模块 |
| mutator | 表示程序中除了 collector 以外的模块 |
| 增量式回收（Incremental Collection） | 每次 GC 只针对堆的一部分，而不是整个堆，大幅减少了停顿时间 |
| 分代回收（Generational GC） | 增量式回收的实现方式之一，将堆分为新生代、老生代和永生代等部分 |
| 并行回收（Parallel Collection） | collector 中有多个垃圾回收线程 |
| 并发回收（Concurrent Collection） | 指垃圾回收工作的某个阶段，collector 线程和 mutator 可以同时执行。 这样避免了 collector 线程工作时需要暂停 mutator 线程（stop-the-world） |
1.2 垃圾回收的优缺点
- 优点： 不再需要为每个 new 操作编写对应的 delete / free 操作，程序不容易出现内存泄漏或内存溢出问题；
- 风险： 垃圾回收处理程序本身也占用系统资源（CPU 资源 / 内存），增大程序暂停时间。
1.3 GC 算法性能指标
在介绍垃圾回收算法之前，我们先来定义评价垃圾回收方法的性能指标：
| 指标 | 定义 | 描述 |
| 吞吐量（throughput） | 指单位时间内的处理能力 | 吞吐量=运行用户代码时间垃圾回收频率∗单次垃圾回收时间吞吐量 = \frac{运行用户代码时间} {垃圾回收频率 * 单次垃圾回收时间}吞吐量=垃圾回收频率∗单次垃圾回收时间运行用户代码时间 |
| 最大暂停时间（pause time） | 指因执行 GC 而暂停执行程序的最长时间 | / |
| 堆利用率（space overhead） | 指有效使用的堆空间占整个堆的比例 | 影响因素：对象头大小 + 回收算法 |
| 访问局部性 | 指回收方法是否倾向于访问局部内存 | 访问局部内存更容易命中 CPU 缓存行 |
提示： 若不理解 “访问局部性” 的概念，可联想快速排序和堆排序的性能对比，前者的访问局部性更优。
2. 垃圾回收管理的区域（回收的对象）
根据《Java虚拟机规范》的规定，Java 虚拟机所管理的内存将会包括以下区域：
| 运行时数据区域 | 线程独占 | 描述 |
| 程序计数寄存器 | 私有 | 存储下一条字节码指令的内存地址 |
| Java 虚拟机栈 | 私有 | 存储线程栈帧（Stack Frame ） 栈帧包含：局部变量表、操作数栈、动态连接、返回地址等信息 |
| 本地方法栈 | 私有 | 存储本地方法栈帧 |
| Java 堆 | 共享 | 大多数对象的存储区域 |
| 方法区 | 共享 | 存储类型信息、常量、类静态变量、即使编译器编译后的代码缓存等 |
并不是 Java 虚拟机管理的所有区域都需要垃圾回收，线程独占的区域会随着线程结束而销毁，不需要垃圾回收。因此垃圾回收机制需要管理的区域是：
- 堆： 垃圾对象；
- 方法区： 废弃的常量和不再使用的类型。
3. 如何判定垃圾对象？（回收的时机）
判断对象是否为垃圾对象的方法可以分为两种：引用计数 & 可达性分析。以判断方法为划分，后文所讲的垃圾回收算法也可以划分为 引用计数式 & 追踪式 两大类。
3.1 引用计数算法（Reference Counting）
3.1.1 判定方法
在分配对象时，会额外为对象分配一段空间，用于记录指向该对象的引用个数。如果有一个新的引用指向该对象，则计数器加 1；当一个引用不再指向该对象，则计数器减 1 。当计数器的值为 0 时，则该对象为垃圾对象。
3.1.2 优点
- 1、及时性：当对象变成垃圾后，程序可以立刻感知，马上回收；而在可达性分析算法中，直到执行 GC 才能感知；
- 2、最大暂停时间短：GC 可与应用交替运行。
3.1.3 缺点
- 1、计数器值更新频繁：大多数情况下，对象的引用状态会频繁更新，更新计数器值的任务会变得繁重；
- 2、堆利用率降低：计数器至少占用 32 位空间（取决于机器位数），导致堆的利用率降低；
- 3、实现复杂；
- 4、（致命缺陷）无法回收循环引用对象。
易错： 引用计数法是算法简单，实现较难。
3.2 可达性分析算法（Reachability Analysis）
3.2.1 判定方法
从 GC 根节点（GC Root）为起点，根据引用关系形成引用链。当一个对象存在到 GC Root 的引用链，则为存活对象，否则为垃圾对象。在 Java 中，GC Root 主要包括：
- 1、Java 虚拟机栈中引用的对象（即栈帧中的本地变量表）；
- 2、本地方法栈中引用的对象；
- 3、方法区中类静态变量引用的对象；
- 4、方法区常量池中引用的对象；
- 5、同步锁（synchronized 关键字）持有的对象；
3.2.2 优点
- 1、可回收循环引用对象；
- 2、实现简单。
3.2.3 缺点
- 1、最大停顿时间长：在 GC 期间，整个应用停顿（stop-the-world，STW）；
- 2、回收不及时：直到执行 GC 才能感知垃圾对象；
3.3 小结
| 判定方法 | 优点 | 缺点 |
| 引用计数 | 1、及时性 2、最大暂停时间短 |
1、计数器值更新频繁 2、堆利用率降低 3、实现复杂 4、无法回收循环引用对象 |
| 可达性分析 | 1、可回收循环引用对象 2、实现简单 |
1、最大停顿时间长 2、回收不及时 |
由于引用计数式 GC 存在 「无法回收循环引用对象」 的致命缺陷，工业实现上还是追踪式 GC 占据了主流，后面我主要介绍的也是追踪式 GC。
4. 垃圾回收算法（回收的过程）
从原理上，垃圾回收算法可以分为以下四类基础算法，其它的垃圾回收算法其实是对基础算法的改进或组合。
| 时间 | 早期提出者 | 算法 | 类别 |
| 1960年 | Lisp 之父 John McCarthy | 标记 - 清理算法 | 追踪式 |
| 1960年 | George E. Collins | 引用计数算法 | 引用计数式 |
| 1969年 | Fenichel | 复制算法 | 追踪式 |
| 1974年 | Edward Lueders | 标记 - 整理算法 | 追踪式 |
在实践中，当代绝大多数垃圾收集器都采用了 “分代收集模型” ，该模型的经验前提是：
- 1、绝大多数对象都是朝生夕死，无法熬过第一次垃圾回收；
- 2、熬过了多次垃圾回收的对象，往往越难被回收。
在上述事实经验的基础上，虚拟机往往使用了 动静分离 的设计思想：将新对象和难以回收的老对象存储在不同的区域，新对象存放在新生代，难回收的对象存在老年代。并且针对不同区域的特性采用不同的垃圾回收算法。
—— 图片引用自网络
- 1、新生代： 新生代中的对象存活率低，只要付出少量的复制成本就能完成回收过程，因此选用复制算法；
- 2、老生代： 老生代中的对象存活率高，并且没有额外空间进行分配担保，因此选用 “标记 - 清理” 或 “标记 - 整理” 算法。
4.1 标记 - 清理算法（Mark-Sweep）
4.1.1 算法回收过程
标记 - 清理算法的回收过程主要分为两个阶段：
- 标记（Mark）阶段： 遍历整个堆，标记出垃圾对象（也可以标记存活对象）；
- 清理（Sweep）阶段： 遍历整个堆，将垃圾对象分块链接空闲列表。
4.1.2 优点
实现简单；
4.1.3 缺点
- 1、执行效率不稳定：Java 堆中对象越多，标记和清理的过程可能会越耗时；
- 2、内存碎片化（fragmentation）：回收过程会逐渐产生很多不连续的小内存，当小内存不足以分配对象内存时，又会触发一次垃圾回收动作（GC for Alloc）。
4.2 复制算法（Copying）
4.2.1 算法回收过程
复制算法的回收过程要点如下：
- 1、将堆分为大小相同的两个空间：from 区和 to 区；
- 2、对象的内存分配只使用 from 区，当 from 区占满时，将存活对象全部复制到 to 区；
- 3、复制完成后互换 from 区和 to 区的指针。
—— 图片引用自 weread.qq.com/web/reader/… 邓凡平 著
4.2.2 优点
- 1、快速分配对象：空闲分块是一个连续内存空间，不需要向标记-清理算法那样遍历空闲列表；
- 2、避免内存碎片化：存活对象和新分配对象都被压缩到 tospace 的一端，避免出现很多不连续的小内存。
4.2.3 缺点
- 1、堆利用率低：把堆做二等分只能利用其中的一半，堆利用率最高仅为 50 %。
4.2.4 改进
- 1、将新生代分为：一块 Eden 区和两块 Survivor 区，对应的比例为 8:1:1；
- 2、对象只在 Eden 区分配，当 Eden 区占满后，将 Eden 区和 from Survivor 区的存活对象全部赋值到 to Survivor 区；
- 3、复制完成后互换 from Survivor 区和 to Survivor 区的指针。
改进后堆利用率提升到最高 90%。
4.3 标记 - 整理算法（Mark-Compact）
4.3.1 算法回收过程
标记 - 清除算法与标记 - 整理算法的本质差异在于是否移动对象。标记 - 整理算法的回收过程主要分为两个阶段：
- 标记（Mark）阶段： 遍历整个堆，标记出垃圾对象（这个步骤与标记 - 清理算法相同）；
- 整理（Compact）阶段： 将所有存活对象移动（压缩）到堆的一端，然后直接清理掉边界以外的内存。
—— 图片引用自 weread.qq.com/web/reader/… 邓凡平 著
4.3.2 优点
- 1、避免内存碎片化，堆利用率高，吞吐量更高；
- 2、快速分配对象：空闲分块是一个连续内存空间，不需要向标记-清理算法那样遍历空闲列表；
4.3.3 缺点
- 1、移动对象比清理对象更耗时，导致 GC 停顿时间（Stop-the-world）时间更长。
5. 并发回收
5.1 stop-the-world 现象
在标准的垃圾回收算法中，在垃圾回收线程（collector）进行标记 - 清理 / 整理 / 复制的过程中需要暂停所有的用户线程（mutator），这是为了保证能够彻底清理所有垃圾对象。
但是这种做法却会导致虚拟机的吞吐量降低（吞吐量=运行用户代码时间垃圾回收频率∗单次垃圾回收时间吞吐量 = \frac{运行用户代码时间} {垃圾回收频率 * 单次垃圾回收时间}吞吐量=垃圾回收频率∗单次垃圾回收时间运行用户代码时间）。
5.2 CMS 垃圾收集器
在追求响应速度的系统上，希望垃圾收集器暂停时间尽可能小，为此发展出了允许回收线程与用户线程并发运行的垃圾收集器 —— CMS（Concurrent Mark Sweep，并发标记清除）。
CMS 垃圾收集器的主要工作过程分为 4 个步骤：
- 1、初始标记（短暂 stop-the-world）： 仅仅标记被 GC Root 直接引用的对象，由于 GC Root 相对较少，这个过程速度很块；
- 2、并发标记（耗时）： 继续遍历 GC Root 引用链上的对象，这个过程比较耗时，所以采用并发处理；
- 3、重新标记（短暂 stop-the-world）： 为了修正并发标记期间用户线程导致的引用关系变化，需要暂停用户线程重新标记；
- 4、并发清除（耗时） 由于清除对象的过程比较耗时，所以采用并发处理。
—— 图片引用自网络
5.3 CMS 的优点
- 1、缩短了系统 stop-the-world 时间，提高了吞吐量；
5.4 CMS 的缺点
- 1、CPU 敏感： 采用了并发策略，系统整体上会占用更多 CPU 资源；
- 2、浮动垃圾： 由于并发清理的过程中用户线程还在运行，CMS 无法回收这个阶段中用户线程产生的垃圾，这一部分垃圾称为 “浮动垃圾”。由于浮动垃圾的存在，垃圾收集器需要预留出一部分空间来允许浮动垃圾的产生，如果预留的空间还不足以存放浮动垃圾，就会出现 Concurrent Mode Failure，此时需要临时启动非并发清理方案来代替 CMS；
- 3、内存碎片： 采用标记 - 清理算法，会产生内存碎片。
6. 总结
- 1、垃圾回收算法的性能指标主要有：吞吐量、最大暂停时间、堆利用率、访问局部性。在理解垃圾回收机制的过程中，可以带着 “回收的对象” & “回收的时机” & “回收的过程” 三个问题来理解；
- 2、垃圾回收机制管理的区域有堆和方法区；
- 3、判断垃圾对象的算法分为引用计数算法和可达性分析算法，两者各有优缺点；
- 4、垃圾回收算法可以分为四类基本算法：引用计数算法、标记-清理算法、标记-整理算法和复制算法。其它的垃圾回收算法都是对基础算法的改进或组合。比如主流的虚拟机垃圾回收算法采用分代回收模型：即在新生代选用复制算法（对象存活率低），而老生代选用 “标记 - 清理” 或 “标记 - 整理” 算法（对象存活率高，并且没有额外空间进行分配担保）；
- 5、在标准的垃圾回收算法中，垃圾回收过程会 stop-the-world。使用并发收集可以降低系统的暂停时间，提供吞吐量。
