垃圾回收算法

Java是如何實現垃圾回收的呢？簡單來說，垃圾回收算法要做的有兩件事：

1. 找到內存中存活的對象
2. 釋放不再存活對象的內存，使得程序能再次利用這部分空間

垃圾回收算法的歷史和分類

• 1960年John McCarthy發布了第一個GC算法：標記-清除算法。
• 1963年Marvin L. Minsky 發布了復制算法。

本質上后續所有的垃圾回收算法，都是在上述兩種算法的基礎上優化而來。

垃圾回收算法的評價標準

Java垃圾回收過程會通過單獨的GC線程來完成，但是不管使用哪一種GC算法，都會有部分階段需要停止所有的用戶線程。這個過程被稱之為Stop The World簡稱STW，如果STW時間過長（系統假死）則會影響用戶的使用。

如下圖，用戶代碼執行和垃圾回收執行讓用戶線程停止執行（STW）是交替執行的。

交替執行過程可以通過如下代碼驗證：

package chapter04.gc;import lombok.SneakyThrows;import java.util.LinkedList;
import java.util.List;/*** STW測試*/
public class StopWorldTest {public static void main(String[] args) {new PrintThread().start();new ObjectThread().start();}
}/*** 打印線程*/
class PrintThread extends Thread{@SneakyThrows@Overridepublic void run() {//記錄開始時間long last = System.currentTimeMillis();while(true){long now = System.currentTimeMillis();// 如果不是垃圾回收影響，這里每次都應該是輸出100System.out.println(now - last);last = now;Thread.sleep(100);}}
}/*** 創建對象線程*/
class ObjectThread extends Thread{@SneakyThrows@Overridepublic void run() {List<byte[]> bytes = new LinkedList<>();while(true){// 最多存放8g，然后刪除強引用，垃圾回收時釋放8gif(bytes.size() >= 80){// 清空集合，強引用去除，垃圾回收器就會去回收對象bytes.clear();}bytes.add(new byte[1024 * 1024 * 100]);Thread.sleep(10);}}
}

代碼運行之前，設置如下JVM參數

所以判斷GC算法是否優秀，可以從三個方面來考慮：

1. 吞吐量

吞吐量指的是 CPU 用于執行用戶代碼的時間與 CPU 總執行時間的比值，即吞吐量 = 執行用戶代碼時間 /（執行用戶代碼時間 + GC時間）。吞吐量數值越高，垃圾回收的效率就越高。

2. 最大暫停時間

最大暫停時間指的是所有在垃圾回收過程中的STW時間最大值。比如如下的圖中，黃色部分的STW就是最大暫停時間，顯而易見上面的圖比下面的圖擁有更少的最大暫停時間。最大暫停時間越短，用戶使用系統時受到的影響就越短。

3. 堆使用效率

不同垃圾回收算法，對堆內存的使用方式是不同的。比如標記清除算法，可以使用完整的堆內存。而復制算法會將堆內存一分為二，每次只能使用一半內存。從堆使用效率上來說，標記清除算法要優于復制算法。

上述三種評價標準：堆使用效率、吞吐量，以及最大暫停時間不可兼得。

一般來說，堆內存越大，回收對象就越多，最大暫停時間就越長。想要減少最大暫停時間，就要減少堆內存，少量多次，因為每次清理有一些準備工作，因此垃圾回收總時間會上升，吞吐量會降低。

沒有一個垃圾回收算法能兼顧上述三點評價標準，所以不同的垃圾回收算法它的側重點是不同的，適用于不同的應用場景（即垃圾回收算法沒有好與壞，只有是否適合）

• 秒殺場景，購買只有很少的時間，最大暫停時間越短越好
• 有的場景，程序就在后臺處理數據，暫停時間長一點無所謂，目標是吞吐量高一點

標記清除算法

標記清除算法的核心思想分為兩個階段：

1. 標記階段，將所有存活的對象進行標記。Java中使用可達性分析算法，從GC Root開始通過引用鏈遍歷出所有存活對象。
2. 清除階段，從內存中刪除沒有被標記也就是非存活對象。

第一個階段，從GC Root對象開始掃描，將對象A、B、C在引用鏈上的對象標記出來：

第二個階段，將沒有標記的對象清理掉，所以對象D就被清理掉了。

優缺點

優點：實現簡單，只需要在第一階段給每個對象維護標志位（在引用鏈上，標記為1），第二階段刪除標記值為0的對象即可。

缺點：

1. 碎片化問題：由于內存是連續的，所以在對象被刪除之后，內存中會出現很多細小的可用內存單元。如果我們需要的是一個比較大的空間，很有可能這些內存單元的大小過小無法進行分配。如下圖，紅色部分已經被清理掉了，總共回收了9個字節，但是每個都是一個小碎片，無法為5個字節的對象分配空間。

2. 分配速度慢。由于內存碎片的存在，需要維護一個空閑鏈表，極有可能發生每次需要遍歷到鏈表的最后才能獲得合適的內存空間。我們需要用一個鏈表來維護，哪些空間可以分配對象，很有可能需要遍歷這個鏈表到最后，才能發現這塊空間足夠我們去創建一個對象。如下圖，遍歷到最后才發現有足夠的空間分配3個字節的對象了。如果鏈表很長，遍歷也會花費較長的時間。

復制算法

復制算法的核心思想是：

1. 準備兩塊空間From空間和To空間，每次在對象分配階段，只能使用其中一塊空間（From空間）。

對象A首先分配在From空間：

2. 在垃圾回收GC階段，將From中的存活對象復制到To空間。

在垃圾回收階段，如果對象A存活，就將其復制到To空間。然后將From空間直接清空。

3. 將兩塊空間的From和To名字互換，下次依然在From空間上創建對象。

完整的復制算法的例子：

1、將堆內存分割成兩塊From空間 To空間，對象分配階段，創建對象。

2、GC階段開始，將GC Root搬運到To空間

3、將GC Root關聯的對象，搬運到To空間

4、清理From空間，并把名稱互換

優缺點

優點：

• 吞吐量高，復制算法只需要遍歷一次存活對象復制到To空間即可，比標記-整理算法少了一次遍歷的過程，因而性能較好；但是性能不如標記-清除算法，因為標記清除算法不需要進行對象的移動
• 不會發生碎片化，復制算法在復制之后就會將對象按順序放入To空間中，所以對象以外的區域都是可用空間，不存在碎片化內存空間。

缺點：

• 內存使用效率低，每次只能讓一半的內存空間來給創建對象使用。

標記整理算法（標記壓縮算法）

標記整理算法是對標記清理算法中容易產生內存碎片問題的一種解決方案。

核心思想分為兩個階段：

1. 標記階段，將所有存活的對象進行標記。Java中使用可達性分析算法，從GC Root開始通過引用鏈遍歷出所有存活對象。
2. 整理階段，將存活對象移動到堆的一端。清理掉存活對象的內存空間。

優缺點

優點：

• 內存使用效率高，整個堆內存都可以使用，不像復制算法只能使用半個堆內存
• 不會發生碎片化，在整理階段可以將對象往內存的一側進行移動，剩下的空間都是可以分配對象的有效空間

缺點：

• 整理階段的效率不高，需要遍歷多次對象，還需要移動對象。整理算法有很多種，比如Lisp2整理算法需要對整個堆中的對象搜索3次，整體性能不佳。可以通過Two-Finger、表格算法、ImmixGC等高效的整理算法優化此階段的性能。

分代垃圾回收算法（常用）

現代優秀的垃圾回收算法，會將上述描述的垃圾回收算法組合進行使用，其中應用最廣的就是分代垃圾回收算法(Generational GC)。分代垃圾回收將整個內存區域劃分為兩塊大區：年輕代、老年代：

• Eden區：對象剛被創建出來的時候放到的地方
• 幸存者區-S0、幸存者區-S1：用來實現復制算法

可以通過arthas來驗證下內存劃分的情況：

• 在JDK8中，添加-XX:+UseSerialGC參數使用分代回收的垃圾回收器，運行程序。
• 在arthas中使用memory命令查看內存，顯示出三個區域的內存情況。

• Eden + survivor 這兩塊區域組成了年輕代。
• tenured_gen指的是晉升區域，其實就是老年代。

JVM參數設置

可以設置的虛擬機參數如下

參數名	參數含義	示例
-Xms	設置堆的最小和初始大小，必須是1024倍數且大于1MB	比如初始大小6MB的寫法： -Xms6291456 -Xms6144k -Xms6m
-Xmx	設置最大堆的大小，必須是1024倍數且大于2MB	比如最大堆80 MB的寫法： -Xmx83886080 -Xmx81920k -Xmx80m
-Xmn	新生代的大小	新生代256 MB的寫法： -Xmn256m -Xmn262144k -Xmn268435456
-XX:SurvivorRatio	伊甸園區和幸存區的比例，默認為8：如新生代有1g內存，則伊甸園區800MB，S0和S1各100MB	比例調整為4的寫法：-XX:SurvivorRatio=4
-XX:+PrintGCDetailsverbose:gc	打印GC日志	無

老年代大小不需要設置，因為新生代設置完之后，老年代的大小就確定了（總的堆內存-新生代內存）

注：如果使用其他版本的JDK，或者使用其他回收器，上面的部分參數可能就不會生效

使用Arthas查看內存分區

代碼：

package chapter04.gc;import java.io.IOException;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;/*** 垃圾回收器案例1*/
//-XX:+UseSerialGC  -Xms60m -Xmn20m -Xmx60m -XX:SurvivorRatio=3  -XX:+PrintGCDetails
public class GcDemo0 {public static void main(String[] args) throws IOException {List<Object> list = new ArrayList<>();int count = 0;while (true){System.in.read();System.out.println(++count);//每次添加1m的數據list.add(new byte[1024 * 1024 * 1]);}}
}

使用arthas的memory展示出來的效果：

heap展示的是可用堆。

垃圾回收執行流程

1、分代回收時，創建出來的對象，首先會被放入Eden伊甸園區。

2、隨著對象在Eden區越來越多，如果Eden區滿，新創建的對象已經無法放入，就會觸發年輕代的GC，稱為Minor GC或者Young GC。Minor GC會把需要eden中和From需要回收的對象回收，把沒有回收的對象放入To區（算法使用的是復制算法）。Minor GC結束之后**，**Eden區會被清空，后面創建的對象又可以放到Eden區。

3、接下來，S0會變成To區，S1變成From區。當eden區滿時再往里放入對象，依然會發生Minor GC。

此時會回收eden區和S1(from)中的對象，并把eden和from區中存活的對象放入S0。

注意：每次Minor GC中都會為對象記錄他的年齡，初始值為0，每次GC完加1。

4、如果Minor GC后對象的年齡達到閾值（最大15，默認值和垃圾回收器有關），對象就會被晉升至老年代。

5、當老年代中空間不足，無法放入新的對象時，先嘗試minor gc（為啥？**因為young滿了之后，部分對象年齡沒有到15，也被放在了老年區，**minor gc可以清理young區來放新對象）。如果空間還是不足，就會觸發Full GC（停頓時間較長），Full GC會對整個堆進行垃圾回收。如果Full GC依然無法回收掉老年代的對象，那么當對象繼續放入老年代時，就會拋出Out Of Memory異常。

下圖中的程序為什么會出現OutOfMemory？

從上圖可以看到，Full GC無法回收掉老年代的對象，那么當對象繼續放入老年代時，就會拋出Out Of Memory異常。

【測試代碼】

//-XX:+UseSerialGC  -Xms60m -Xmn20m -Xmx60m -XX:SurvivorRatio=3  -XX:+PrintGCDetails
public class GcDemo0 {public static void main(String[] args) throws IOException {List<Object> list = new ArrayList<>();int count = 0;while (true){System.in.read();System.out.println(++count);//每次添加1m的數據list.add(new byte[1024 * 1024 * 1]);}}
}

結果如下：

老年代已經滿了，而且垃圾回收無法回收掉對象，如果還想往里面放就發生了OutOfMemoryError。

分代GC算法內存為什么分年輕代、老年代

為什么分代GC算法要把堆分成年輕代和老年代？首先我們要知道堆內存中對象的特性：

• 系統中的大部分對象，都是創建出來之后很快就不再使用可以被回收，比如用戶獲取訂單數據，訂單數據返回給用戶之后就可以釋放了。
• 老年代中會存放長期存活的對象，比如Spring的大部分bean對象，在程序啟動之后就不會被回收了。
• 在虛擬機的默認設置中，新生代大小要遠小于老年代的大小。

分代GC算法將堆分成年輕代和老年代主要原因有：

• 可以通過調整年輕代和老年代的比例來適應不同類型的應用程序，提高內存的利用率和性能。
• 新生代和老年代使用不同的垃圾回收算法，新生代一般選擇復制算法；老年代可以選擇標記-清除和標記-整理算法，由程序員來選擇靈活度較高。
• 分代的設計中允許只回收新生代（minor gc），如果能滿足對象分配的要求就不需要對整個堆進行回收(full gc)，STW時間就會減少。（盡可能做minor gc，少做full gc，盡量降低垃圾回收對程序運行的影響）

文章說明

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