JVM垃圾回收

JVM垃圾回收

---

---

一、什么是垃圾回收？

  在c/c++语言中，通过malloc/new 关键字申请内存资源，通过free/delete关键字释放资源。如果申请内存后没有释放，那么申请的对象将一直占用内存资源，最终可能导致内存溢出。排查起来需要浪费大量的人力资源。
  而在java、python或者go语言中，都存在着一种自动管理内存的操作，具体来说就是没有被引用的对象，我们称其为垃圾（garbage）。发现和释放（也称为回收、收集等）被这些对象占用的内存空间的处理过程，我们称之为垃圾回收。它的主要任务就是确保被引用的对象在内存中保持存在;回收无任何引用的对象所占用的内存空间。垃圾回收的精髓在于它的算法，如果算法不合理一样会内存泄露。下面我们就介绍一下垃圾回收算法。

二、垃圾回收常见算法

标记阶段算法

1.引用计数器法

  引用计数器的做法是为每一个对象添加一个引用计数器，用来统计指向该对象的引用个数。一旦某个对象的引用计数器为0，则说明该对象已经死亡了，可以回收了。具体实现是这样的：如果有一个引用，被赋值为某一对象，那么将该对象的引用计数器+1.如果一个指向某一对象的引用，被赋值为其它值，那么将该对象的引用计数器-1.简单的分析一下引用计数器法的优缺点。

优点：

1.实时性比较高，无需等到内存不够的时候，才开始回收，运行时根据对象的计数器是否为0,就可以直接回收。
2.在垃圾回收过程中，应用无需挂起。如果申请内存时，内存不足，则立刻报OutOfMemory错误
3.更新对象计数器时，只是影响到该对象，不会扫描全部对象。

缺点：

1.每次对象被引用时，都需要去更新计数器，有一点时间开销。
2.浪费CPU资源，即使内存够用，仍然在运行时进行计数器的统计
3.无法自行解决循环引用问题

举例：
  假设有两个对象A和B相互引用，当A和B的引用指向null的时候，这时候A和B已经没有引用了，可以被回收了，但是由于它们的引用计数器皆不为0,所以这些对象占用的空间不可回收，从而造成内存泄露。

2.可达性分析（根扫描）

算法的实质在于将一系列 GC Roots 作为初始的存活对象合集（live set），然后从该合集出发，探索所有能够被该集合引用到的对象，并将其加入到该集合中，这个过程我们也称之为标记（mark）。最终，未被探索到的对象便是死亡的，是可以回收的。那么什么是 GC Roots 呢？我们可以暂时理解为由堆外指向堆内的引用，一般而言，GC Roots 包括（但不限于）如下几种：

1. Java 方法栈桢中的局部变量；
2. 已加载类的静态变量；
3. JNI handles；
4. 已启动且未停止的 Java 线程。

优点：解决了循环依赖问题

缺点：在多线程环境下，其他线程可能会更新已经访问过的对象中的引用，从而造成误报（将引用设置为 null）或者漏报（将引用设置为未被访问过的对象）。误报并没有什么伤害，Java 虚拟机至多损失了部分垃圾回收的机会。漏报则比较麻烦，因为垃圾回收器可能回收事实上仍被引用的对象内存。一旦从原引用访问已经被回收了的对象，则很有可能会直接导致 Java 虚拟机崩溃。

清除阶段算法

1.清除算法（会造成内存碎片的）

即把死亡对象所占据的内存标记为空闲内存，并记录在一个空闲列表（free list）之中。当需要新建对象时，内存管理模块便会从该空闲列表中寻找空闲内存，并划分给新建的对象。

清除这种回收方式的原理及其简单，但是有两个缺点。一是会造成内存碎片。由于 Java 虚拟机的堆中对象必须是连续分布的，因此可能出现总空闲内存足够，但是无法分配的极端情况。另一个则是分配效率较低。如果是一块连续的内存空间，那么我们可以通过指针加法（pointer bumping）来做分配。而对于空闲列表，Java 虚拟机则需要逐个访问列表中的项，来查找能够放入新建对象的空闲内存。

缺点：1、效率较低，标记和清除两个动作都需要遍历所有的对象，并且在GC时，需要停止应用程序，对于交互性要求比较高的应用而言这个体验是非常差的
2、通过标记清除算法清理出来的内存，碎片化较为严重，因为被回收的对象可能存在于内存的各个角落，所以清理出来的内存是不连贯的

2.压缩算法（性能开销较大）

即把存活的对象聚集到内存区域的起始位置，从而留下一段连续的内存空间。这种做法能够解决内存碎片化的问题，但代价是压缩算法的性能开销。

3.复制算法（堆使用效率较低）

把内存区域分为两等分，分别用两个指针 from 和 to 来维护，并且只是用 from 指针指向的内存区域来分配内存。当发生垃圾回收时，便把存活的对象复制到 to 指针指向的内存区域中，并且交换 from 指针和 to 指针的内容。复制这种回收方式同样能够解决内存碎片化的问题，但是它的缺点也极其明显，即堆空间的使用效率极其低下。

优点：
1、在垃圾对象多的情况下，效率较高
2、清理后，内存无碎片
缺点：
1、在垃圾对象少的情况下，不适用，如：老年代内存
2、分配两块内存空间，在同一个时刻，只能使用一半，内存使用率较低

4.分代算法

大部分的 Java 对象只存活一小段时间，而存活下来的小部分 Java 对象则会存活很长一段时间它造就了 Java 虚拟机的分代回收思想。简单来说，就是将堆空间划分为两代，分别叫做新生代和老年代。
新生代用来存储新建的对象。当对象存活时间够长时，则将其移动到老年代。Java 虚拟机可以给不同代使用不同的回收算法。对于新生代，我们猜测大部分的 Java 对象只存活一小段时间，那么便可以频繁地采用耗时较短的垃圾回收算法，让大部分的垃圾都能够在新生代被回收掉。
对于老年代，我们猜测大部分的垃圾已经在新生代中被回收了，而在老年代中的对象有大概率会继续存活。当真正触发针对老年代的回收时，则代表这个假设出错了，或者堆的空间已经耗尽了。这时候，Java 虚拟机往往需要做一次全堆扫描，耗时也将不计成本。

三、垃圾收集器

1.串行垃圾收集器

串行垃圾收集器是最基本的、发展历史最悠久的收集器
特点: 单线程、简单高效（与其他收集器的单线程相比），对于限定单个CPU的环境来说，Serial收集器由于没有线程交互的开销，专心做垃圾收集自然可以获得最高的单线程收集效率。收集器进行垃圾回收时，必须暂停其他所有工作线程，知道它结束（Stop The World）

2.并行垃圾收集器

ParNew垃圾收集器

ParallelGC垃圾收集器
CMS垃圾收集器

3.G1垃圾收集器 --跨新生代和老年代回收整个堆内存

G1垃圾收集器是在jdk1.7update4中正式使用的全新的垃圾收集器，oracle官网在jdk9中将G1变成默认的垃圾收集器，以替代CMS.
G1垃圾收集器将新生代，老年代的物理空间划分取消了，G1算法将堆划分为若干个区域Region，每块区域最大32m，默认划分2048个区域，64G内存
G1 垃圾回收模式
Young GC
主要对伊甸区进行GC，在伊甸区空间耗尽时出发，如果辛存区空间也不足，伊甸区将直接变为老年代
Mixed GC
分两步
1.全局并发标记( global concurrent marking )
2.拷贝存活对象( evacuation )
G1垃圾收集器 VS CMS垃圾收集器
G1不会产生碎片
G1可以精确控制停顿，它把整堆划分为多个固定大小的区域，每次根据停顿时间去收集垃圾最多的区域
G1垃圾收集器优化建议：
年轻代大小
避免使用 -Xmn选项 或 -XX:NewRatio 等其他相关选项显示设置年轻代大小
固定年轻代的大小会覆盖暂停时间目标
暂停时间目标不要太过严苛
G1 GC的吞吐量目标是90%的应用程序时间和10%的垃圾回收时间
评估G1 GC的吞吐量时，暂停时间目标不要太严苛。目标太过严苛表示您愿意承受更多的垃圾回收开销，而这会直接影响到吞吐量

4.ZGC

ZGC（The Z Garbage Collector）是JDK 11中推出的一款低延迟垃圾回收器，它的设计目标包括：

停顿时间不超过10ms；
停顿时间不会随着堆的大小，或者活跃对象的大小而增加；
支持8MB~4TB级别的堆（未来支持16TB）。