从0开始回顾JVM---系列三

20、有哪几种垃圾回收器，各自的优缺点是什么？  ⚡

垃圾回收器主要分为以下几种：Serial，Parallel，CMS，G1。

1. Serial

• 单线程垃圾回收器，该线程运行时，其他线程都暂停，使用复制算法；
• 使用场景: 堆内存较小，适合个人电脑(CPU核数较小)；

1. 工作在老年区，回收算法：标记整理；工作在新生代，回收算法：复制；
2. 单线程的垃圾回收器，只有一个垃圾回收线程在运行；
3. 垃圾回收线程结束后，其他线程恢复运行；
4. 触发垃圾回收时让所有线程在安全点停下【在垃圾回收过程中，对象的地址可能发生改变，为了保证安全使用对象地址，要求所有用户进程到达安全点后停下】

2. Parallel （吞吐量优先）

• 多线程垃圾回收器，堆内存较大，需要多核CPU的支持，工作在服务器上。
• 目标:  让单位时间内，STW的时间最短
  例如:1小时内发生2次垃圾回收，每次垃圾回收0.2s，所以1小时内一共花费了0.4s，垃圾回收时间在程序运行时间中的占比，占比越小，说明吞吐量越大
• 新生代垃圾回收器使用复制算法，老年代垃圾回收器使用标记整理算法。

1. 工作在老年区，回收算法：标记整理；工作在新生代，回收算法：复制；
2. 垃圾回收器会开启多个线程进行垃圾回收，垃圾回收时开启线程的个数默认与CPU核数相关;
3. 垃圾回收线程结束后，其他线程恢复运行；
4. CPU的使用程度:例如四核CPU，在触发吞吐量优先的垃圾回收器时，会同时开启4个线程进行垃圾回收，所以在很短时间内，CPU占用率达到100%。

3. CMS （响应时间优先）

• 多线程垃圾回收器，堆内存较大，需要多核CPU的支持，工作在服务器上。
• 目标:  垃圾回收时，让单次STW的时间尽可能短
• 例如：1小时内发生5次垃圾回收，每次STW时间都是0.1s所以一小时内一共花费了0.5s
• 运作过程：

1. 初始标记：初始标记时，需要STW时间很快，只会列出根对象；
2. 并发标记：继续标记剩余的垃圾并且不用STW；
3. 重新标记：重新标记那些由于并发标记中用户程序产生的新的垃圾，需要STW；
4. 并发清理：清除标记垃圾。

• 在并发清理时，其他工作线程可能会产生新的垃圾->浮动垃圾，这些垃圾不能在本次垃圾回收时清理，需要等下一次垃圾回收时才会清理，所以要预留一些区间保存浮动垃圾；
• 并发：垃圾回收线程和用户线程可以并发运行，抢占时间片，进一步减少了STW的时间【新生代：复制算法，老年代：标记清除，当CMS垃圾回收器并发失败后，会采取措施：让老年代的垃圾回收器退化到串行时的单线程垃圾回收，这会导致响应时间变得很长】
• 由于CMS采用的是标记清除垃圾回收算法，可能会出现较多的内存碎片

3. G1

• 把堆划分成多个大小相等的Region，新生代和老年代不再物理隔离，多核 CPU 和大内存的场景下有很好的性能。新生代使用复制算法，老年代使用标记-整理算法。
• 运作过程：

1. 初始标记：标记根对象（STW）
2. 并发标记：跟踪标记根对象所有可达对象，找出要回收的对象【当老年代占用到整个堆空间的45%（默认）时，触发并发标记 】
3. 最终标记：对并发标记阶段产生新的垃圾进行标记（STW）
4. 筛选回收：对各个region区域进行回收价值与成本的排序，为了达到目标的回收时间,G1会挑选Region中最有价值的回收区域进行垃圾回收（最少时间回收最多的垃圾)（STW）

特点：

• 空间整合: 整体来看是基于“标记–整理”算法实现的收集器，从局部(两个Region之间)上来看是基于“复制”算法实现的，这意味着运行期间不会产生内存空间碎片。
• 可预测的停顿:  能让使用者明确指定在一个长度为M毫秒的时间片段内，消耗在GC上的时间不得超过N毫秒。

21、什么是Stop The World ? 什么是安全点？

Stop The World

• 进行垃圾回收的过程中，会涉及对象的移动。为了保证对象引用更新的正确性，必须暂停所有的用户线程，像这样的停顿，虚拟机设计者形象描述为Stop The World。也简称为STW。

安全点

• 安全点是在程序执行期间的所有GC Root已知并且所有堆对象的内容一致的点。
• 当线程运行到这类位置时，堆对象状态是确定一致的，JVM可以安全地进行操作，如GC，偏向锁解除等。

22、为什么需要STW？

在 java 应用程序中引用关系是不断发生变化的，那么就会有会有很多种情况来导致垃圾标识出错。

举个例子：

Object a  目前是个垃圾，GC 把它标记为垃圾，但是在清除前又有其他对象指向了 Object a，那么此刻 Object a 又不是垃圾了，那么如果没有 STW 就要去无限维护这种关系来去采集正确的信息。

23、详细说一下CMS的回收过程？

CMS(并发标记清除) 收集器是以获取最短回收停顿时间为目标的收集器，它在垃圾收集时使得用户线程和 GC 线程并发执行，因此在垃圾收集过程中用户也不会感到明显的卡顿。

CMS 回收过程分为以下四步：

1. 初始标记：初始标记时，需要STW时间很快，只会列出根对象；
2. 并发标记：续标记剩余的垃圾并且不用STW ；
3. 重新标记：重新标记那些由于并发标记中用户程序产生的新的垃圾，需要STW ；
4. 并发清除：清除标记垃圾，由于不需要移动存活对象，所以这个阶段也是可以与用户线程同时并发进行的。

24、CMS的问题是什么？

CMS 的问题：

1. 并发回收导致CPU资源紧张：

• 在并发阶段，它虽然不会导致用户线程停顿，但却会因为占用了一部分线程而导致应用程序变慢，降低程序总吞吐量。CMS默认启动的回收线程数是：（CPU核数 + 3）/ 4，当CPU核数不足四个时，CMS对用户程序的影响就可能变得很大。

2. 无法清理浮动垃圾：

• 在并发清理时，其他工作线程可能会产生新的垃圾：浮动垃圾，这些垃圾不能在本次垃圾回收时清理，需要等下一次垃圾回收时才会清理，所以要预留一些区间保存浮动垃圾。

3. 并发失败

• 由于在垃圾回收阶段用户线程还在并发运行，那就还需要预留足够的内存空间提供给用户线程使用，因此CMS不能像其他回收器那样等到老年代几乎完全被填满了再进行回收，必须预留一部分空间供并发回收时的程序运行使用。默认情况下，当老年代使用了 92% 的空间后就会触发 CMS 垃圾回收，这个值可以通过 -XX: CMSInitiatingOccupancyFraction  参数来设置。
• 这里会有一个风险：要是CMS运行期间预留的内存无法满足程序分配新对象的需要，就会出现一次“并发失败”（Concurrent Mode Failure），这时候虚拟机将不得不启动后备预案：Stop The World，临时启用 Serial Old  来重新进行老年代的垃圾回收，这样一来停顿时间就很长了。

4. 内存碎片比较多

• CMS 是使用了标记清除的算法去清理垃圾的，而这种算法的缺点就是会产生碎片化，后续可能会导致大对象无法分配从而触发和 Serial Old 一起配合使用来处理碎片化的问题，当然这也处于 STW的情况下，所以当 java 应用非常庞大时，如果采用了 CMS 垃圾回收器，产生了碎片化，那么在 STW 来处理碎片化的时间会非常之久。

25、详细说一下G1的回收过程？

G1把堆划分成多个大小相等的Region，新生代和老年代不再物理隔离，多核 CPU 和大内存的场景下有很好的性能。G1 在JDK9 之后成为服务端模式下的默认垃圾回收器。

G1 回收过程分为以下四步：

1. 初始标记：标记根对象（STW）
2. 并发标记：跟踪标记根对象所有可达对象，找出要回收的对象【当老年代占用到整个堆空间的45%（默认）时，触发并发标记 】
3. 最终标记：对并发标记阶段产生新的垃圾进行标记（STW）
4. 筛选回收：对各个region区域进行回收价值与成本的排序，为了达到目标的回收时间G1会挑选Region中最有价值的回收区域进行垃圾回收（最少时间回收最多的垃圾（STW）

特点：

• 空间整合: 整体来看是基于“标记–整理”算法实现的收集器，从局部(两个Region之间)上来看是基于“复制”算法实现的，这意味着运行期间不会产生内存空间碎片。
• 可预测的停顿:  能让使用者明确指定在一个长度为M毫秒的时间片段内，消耗在GC上的时间不得超过N毫秒。

回收时机：G1在实现垃圾回收时一共提供了3种回收的方法，分别是新生代收集（Young GC），混合收集（Mixed GC），整堆收集（Full GC），这3种垃圾回收触发的时机通常如下：

1. 应用程序分配对象时，发现内存不足，触发Young GC；
2. 在Young GC执行中，判断整体内存使用是否大于一定的阈值，如果大于启动并发标记；在并发标记完成后，当下一次启动垃圾回收称为Mixed GC，在Mixed GC执行过程中不仅回收新生代分区，同时也回收部分老生代分区；
3. 在用程序分配对象时，发现内存不足，触发Young GC或者Mixed GC；垃圾回收结束后再次尝试分配对象，如果内存还不足，此时将触发Full GC。

26、什么是三色标记算法？

三色标记算法，也就是垃圾回收器标记垃圾的时候使用的算法，简单来说，就是将对象分为三种颜色：

• 白色：表示对象尚未被垃圾收集器访问过。显然在可达性分析刚刚开始的阶段，所有的对象都是白色的，若在分析结束的阶段，仍然是白色的对象，即代表不可达。
• 黑色：表示对象已经被垃圾收集器访问过，且这个对象的所有引用都已经扫描过。黑色的对象代表已经扫描过，它是安全存活的，如果有其他对象引用指向了黑色对象，无须重新扫描一遍。黑色对象不可能直接（不经过灰色对象）指向某个白色对象。
• 灰色：表示对象已经被垃圾收集器访问过，但这个对象上至少存在一个引用还没有被扫描过。

标记过程：

1. 在 GC 并发开始的时候，所有的对象均为白色；
2. 在将所有的 GC Roots 直接应用的对象标记为灰色集合；
3. 如果判断灰色集合中的对象不存在子引用，则将其放入黑色集合，若存在子引用对象，则将其所有的子引用对象存放到灰色集合，当前对象放入黑色集合；
4. 按照此步骤 3 ，依此类推，直至灰色集合中所有的对象变黑后，本轮标记完成，并且在白色集合内的对象称为不可达对象，即垃圾对象；
5. 标记结束后，为白色的对象为 GC Roots 不可达，可以进行垃圾回收。

三色标记算法的缺点

1. 浮动垃圾：并发标记的过程中，若一个已经被标记成黑色或者灰色的对象，突然变成了垃圾，由于不会再对黑色标记过的对象重新扫描,所以不会被发现，那么这个对象不是白色的但是不会被清除，重新标记也不能从GC Root中去找到，所以成为了浮动垃圾，浮动垃圾对系统的影响不大，留给下一次GC进行处理即可。
2. 我们知道在并发标记的时候可能会出现误标的情况，这里举两个例子：

• 刚开始标记为垃圾的对象，但是在并发标记过程中变为了存活对象；
• 刚开始标记为存活的对象，但是在并发标记过程中变为了垃圾对象。

第一种情况影响还不算很大，只是相当于垃圾没有清理干净，待下一次清理的时候再清理一下就好了。第二种情况就危险了，正在使用的对象的突然被清理掉了，后果会很严重。那么产生上述第二种情况的原因是什么呢？

• 新增了一条或多条黑色到白色对象的新引用
• 删除了灰色对象到该白色对象的直接引用或间接引用。

当这两种情况都满足的时候就会出现这种问题了。所以为了解决这个问题，引入了增量更新 (Incremental Update)和 原始快照 (SATB)的方案：

• 增量更新破坏了第一个条件增加新引用时记录 该引用信息，在后续 STW 扫描中重新扫描(CMS的使用方案)。
• 原始快照破坏了第二个条件：删除引用时记录下来，在后续 STW 扫描时将这些记录过的灰色对象为根再扫描一次(G1的使用方案)。

27、有了CMS，为什么还要引入G1？

CMS最主要的优点在并发清除，低停顿，CMS同样有三个明显的缺点：

1. 内存碎片比较多
2. 并发回收导致CPU资源紧张
3. 无法清理浮动垃圾

G1整体来看是基于“标记–整理”算法实现的收集器，从局部(两个Region之间)上来看是基于“复制”算法实现的，这意味着运行期间不会产生内存空间碎片。

28、CMS和G1的区别？

1. 使用的范围不一样：

• CMS收集器是老年代的收集器，可以配合新生代的Serial和ParNew收集器一起使用。
• G1收集器收集范围是老年代和新生代，不需要结合其他收集器使用 。

2. STW的时间

• CMS收集器以最短的停顿时间为目标的收集器。
• G1收集器可预测垃圾回收的停顿时间（建立可预测的停顿时间模型）。

3. 内存碎片

• CMS收集器是使用“标记-清除”算法进行的垃圾回收，容易产生内存碎片。
• G1收集器使用的是“标记-整理”算法，进行了空间整合，基本不会内存空间碎片。

4. 回收过程不一样

• CMS是初始标记、并发标记、重新标记、并发清理。
• G1是初始标记、并发标记、最终标记、筛选回收。

29、JDK1.8默认垃圾收集器是什么？一般推荐用哪个垃圾回收器？

查看默认垃圾回收器：

java -XX:+PrintCommandLineFlags -version

JDK默认是Parallel （吞吐量优先）垃圾回收器，在并发并不是非常高的情况下，可以尽可能的利用处理器资源。

如果想要提高服务的响应速度，可以采用CMS来降低停顿时间，或者采用了设计比较优秀的G1垃圾收集器，因为它不仅满足我们低停顿的要求，而且解决了CMS的浮动垃圾问题、内存碎片问题。

30、垃圾回收器应该怎么选择？

垃圾回收器的适用场景：

1. Serial：   堆内存较小，适合个人电脑(CPU核数较小)；
2. Parallel：堆内存较大，需要多核CPU的支持，工作在服务器上，优先考虑应用程序的峰值性能；
3. CMS/G1：如果响应时间比吞吐量优先级高，或者垃圾收集暂停必须保持在大约1秒以内。

31、JVM中一次完整的GC是什么样子的？  ⚡

1. 对象优先在Eden分配：

• 新生代空间不足时，会触发Minor GC，Eden和From存活的对象使用Copy复制到to中，存活的对象年龄加1并且交换from和 to
• Minor GC会引发Stop The World: 垃圾回收时会暂停其他用户线程，直到垃圾回收线程工作完了，才能恢复其他用户线程的运行，该暂停时间较短
• 当对象寿命超过阈值时【最大为15次:因为存储对象寿命的长度为4bit，所以最大能存储15】，会晋升到老年代

2. 当老年代空间不足时，会先尝试触发Minor GC，如果触发Minor GC之后，空间仍不足，会触发Full GC，Full GC 清理整个内存堆 – 包括新生代和老年代，STW时间更长, Full GC的垃圾回收算法是标记清除或是标记整理。
3. 如果Full GC之后内存仍不足，就会报错。

32、Minor GC/Young GC、Major GC/Old GC、Mixed GC、Full GC都是什么意思？

部分收集（Partial GC）：指目标不是完整收集整个Java堆的垃圾收集，其中又分为：

• 新生代收集（Minor GC/Young GC）：指目标只是新生代的垃圾收集。
• 老年代收集（Major GC/Old GC）：指目标只是老年代的垃圾收集。目前只有CMS收集器会有单独收集老年代的行为。
• 混合收集（Mixed GC）：指目标是收集整个新生代以及部分老年代的垃圾收集。目前只有G1收集器会有这种行为。

整堆收集（Full GC）：收集整个Java堆和方法区的垃圾收集。

33、Minor GC 和 Full GC 有什么不同呢？

1. Minor GC：只是新生代的垃圾收集。
2. Full GC:  收集整个堆，包括新生代，老年代，方法区(在 JDK 1.8及以后，永久代被移除，换为metaspace 元空间实现)

34、Minor GC/Full GC 触发条件？

Minor GC触发条件：当Eden区满时，触发Minor GC。

Full GC触发条件：

1. Minor GC之前检查老年代：在要进行 Minor GC 的时候，发现老年代可用的连续内存空间 < 新生代历次Minor GC后升入老年代的对象总和的平均大小，说明本次Minor GC后可能升入老年代的对象大小，可能超过了老年代当前可用内存空间，那就会触发 Full GC。
2. Minor GC之后老年代空间不足：执行Minor GC之后有一批对象需要放入老年代，此时老年代就是没有足够的内存空间存放这些对象了，此时必须立即触发一次Full GC
3. 老年代空间不足，老年代内存使用率过高，达到一定比例，也会触发Full GC。
4. 空间分配担保失败（ Promotion Failure），新生代的 To 区放不下从 Eden 和 From 拷贝过来对象，或者新生代对象 GC 年龄到达阈值需要晋升这两种情况，老年代如果放不下的话都会触发 Full GC。
5. 方法区内存空间不足：如果方法区由永久代实现，永久代空间不足 Full GC。
6. System.gc()等命令触发：System.gc()、jmap -dump 等命令会触发 full gc。

35、对象什么时候会进入老年代？

1. 长期存活的对象将进入老年代

• 每次Minor GC之后存活的对象年龄加1，当对象寿命超过阈值时【最大为15次:因为存储对象寿命的长度为4bit，所以最大能存储15】，会晋升到老年代。

2. 大对象直接进入老年代

• 有一些占用大量连续内存空间的对象在被加载就会直接进入老年代。这样的大对象一般是一些数组，长字符串之类的对象。

3. 空间分配担保

• 假如在Young GC之后，新生代仍然有大量对象存活，就需要老年代进行分配担保，把Survivor无法容纳的对象直接送入老年代。

4. 动态对象年龄判定

• 为了能更好地适应不同程序的内存状况，虚拟机并不是永远要求对象的年龄必须达到阈值15才能晋升老年代,如果在Survivor空间中相同年龄所有对象大小的总和大于Survivor空间的一半，年龄大于或等于该年龄的对象就可以直接进入老年代。

36、对象一定分配在堆中吗？有没有了解逃逸分析技术？

对象一定分配在堆中吗？

不一定的。

• 随着JIT编译期的发展与逃逸分析技术逐渐成熟，所有的对象都分配到堆上也渐渐变得不那么“绝对”了。其实，在编译期间，JIT会对代码做很多优化。其中有一部分优化的目的就是减少内存堆分配压力，其中一种重要的技术叫做逃逸分析。

什么是逃逸分析？

1. 通俗点讲，当一个对象被new出来之后，它可能被外部所调用，如果是作为参数传递到外部了，就称之为方法逃逸。
2. 除此之外，如果对象还有可能被外部线程访问到，例如赋值给可以在其它线程中访问的实例变量，这种就被称为线程逃逸。

逃逸分析的好处

1. 栈上分配

• 如果确定一个对象不会逃逸到线程之外，那么就可以考虑将这个对象在栈上分配，对象占用的内存随着栈帧出栈而销毁，这样一来，垃圾收集的压力就降低很多。

2. 同步消除

• 线程同步本身是一个相对耗时的过程，如果逃逸分析能够确定一个变量不会逃逸出线程，无法被其他线程访问，那么这个变量的读写肯定就不会有竞争， 对这个变量实施的同步措施( 锁机制 )也就可以安全地消除掉。

3. 变量替换

• 假如逃逸分析能够证明一个对象不会被方法外部访问，并且这个对象可以被拆散，那么可以不创建对象，直接创建若干个成员变量代替，可以让对象的成员变量在栈上分配和读写。

37、JVM新生代中为什么要分为Eden和Survivor

1. 如果没有Survivor，Eden区每进行一次Minor GC，存活的对象就会被送到老年代。老年代很快被填满，触发Major GC，老年代的内存空间远大于新生代，进行一次Full GC消耗的时间比 Minor GC长得多，所以需要分为Eden和Survivor。
2. Survivor的存在意义，就是减少被送到老年代的对象，进而减少Full GC的发生，Survivor的预筛选保证，只有经历16次Minor GC还能在新生代中存活的对象，才会被送到老年代。
3. 设置两个Survivor区最大的好处就是解决了碎片化，刚刚新建的对象在Eden中，经历一次Minor GC，Eden中的存活对象就会被移动到第一块survivor space S0，Eden被清空；等Eden区再满了，就再触发一次Minor GC，Eden和S0中的存活对象又会被复制送入第二块survivor space S1（这个过程非常重要，因为这种复制算法保证了S1中来自S0和Eden两部分 的存活对象占用连续的内存空间，避免了碎片化的发生）