Java面试之垃圾回收总结

最新推荐文章于 2025-03-31 19:25:18 发布

Vtamins

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分类专栏：面试攻略文章标签： java 面试 jvm 虚拟机

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本文深入探讨了Java的JVM垃圾回收机制，包括新生代与老年代的划分、各种垃圾回收算法（如复制、标记-整理等）、垃圾回收器的选择（如Serial、ParNew、CMS等），以及Full GC、Minor GC的概念。同时，文章还讲解了GC Roots对象的类型以及如何优化垃圾回收性能。

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1. JVM垃圾回收机制与实现

堆：所有的对象实例与数组，GC堆，分为新生代与老年代
栈：栈帧包含局部变量表（基本数据类型 8种、对象引用类型）、操作数栈、动态链接、方法出口
方法区：类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据，也成为永久代

一般说栈指的是虚拟机栈，或者说是虚拟机栈中的局部变量表

TLAB：本地线程分配缓冲，线程分配内存，现用TLAB分配，用完重新分配新的TLAB
可以设置是否启用TLAB

Mark Word：对象头：对象自身的运行时数据，哈希吗，GC分代年龄，锁状态，持有的锁，偏向线程ID，偏向时间戳

HotSpot采用直接指针访问，栈中直接指向对象的地址，对象移动时，需要改变栈中的reference

2、垃圾回收算法

标记清除算法 Mark-sweep
存在效率问题与空间问题（产生大量不连续的内存碎片）
复制算法（Copying）：应用十分广泛，将内存分为一块较大的Eden和两块较小的Survivor空间，每次使用Eden和其中一块Survivor。回收时，将Eden与Survivor复制到另一块Survivor是哪个。
默认Eden与Survivor的比例是8:1
标记整理算法（Mark-Compact）适用于老年代，将所有存活的对象都向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存

3 垃圾回收的其他概念

Stop The World：从GC Roots进行可达性分析是，为了保持一致性，停顿所有的Java执行线程。就像时间冻结
准确式GC：虚拟机可以知道内存中某个位置的数据具体是什么类型
OopMaps：用来记录对象引用，HotSpot使用,类加载过程中，把对象内的偏移量上是什么数据计算出来。
安全点：SafePoint 既程序执行时并非在所有地方都能停顿下来，只有安全点才能停顿。程序长时间执行的特征，例如：方法调用、循环跳转、异常跳转等
抢先式中断和主动式中断：抢先式首先把所有的线程全部中断，如果发现有线程不在安全点上，则回复线程；主动式中断：通过设置标志，线程执行时轮询标志，发现标志则自己中断。
安全区域（Safe Region）：如果程序不执行的时候，就没法中断，所以需要安全区域，一段代码片段中，应用关系不发生变化，则为安全区域

4 垃圾回收器

Serial：新生代，采用复制算法，老年代采用标记整理算法，单线程，需要Stop The Worls，Client模式下的默认新生代收集器
ParNew：Serial的多线程版本，新生代采用复制算法，老年代采用标记整理算法。Server模式的首选新生代收集器，因为目前只有它与Serial能与CMS收集器配合工作，在多CPU>2的情况下，有更好的性能
Parallel（并行） Scavenge：新生代收集器，复制算法，关注吞吐量，吞吐量=运行用户代码的时间/（运行用户代码的时间+垃圾收集时间），适合在后台运算而不需要太多交互的任务。可以设置吞吐量大小eg：GCTimeRatio，也成为吞吐量优先收集器。可以自动控制新生代的大小、Eden与Suvivor的比例、晋升老年代的年龄，自适应调节策略是Paralle Scavenge与Parnew的最大区别
Serial Old：serial老年代版本，client模式下使用，可以为Paralle Scavenge收集器搭配使用，或者作为CMS的后备
Parallel Old：Parallel Scavenge的老年代版本，标记整理算法，注重吞吐量与CPU资源敏感，可以用优先使用Parallel Scavengen+Parallel Old
CMS（Concurrent并发 Mark Sweep）：一种获取最短回收停顿时间为目标的收集器。目前大量使用在互联网站或者B/S系统的服务端上，尤其重视服务的响应速度。基于标记-清除算法

4个步骤
1.初始标记 需要Stop the World标记一下GCRoots能够直接关联到的对象，速度很快
2.并发标记 进行GCRoots Tracing的过程，耗时较长，并发
3.重新标记 需要Stop the World为了修正并发标记期间因为用户程序继续运作
而导致标记产生变动的那一部分对象的标记记录，比初始标记阶段阶段稍长，比并发标记时间短得多
4.并发清除：耗时较长，并发
5.并发重置 ：这个阶段，重置CMS收集器的数据结构，等待下一次垃圾回收。

CMS的优点：并发收集、低停顿
对CPU资源非常敏感，因为并发标记与并发清理的过程会占用CPU，
默认启动的回收线程数是（CPU数量+3）/4，当CPU 小于4时，占用了不少于%25的CPU资源。
CPU越多，占用降低，因此提出了ICMS（Incremental Concurrent Mark Sweep）增量式并发收集器

CMS无法处理浮动垃圾（Floating Garbage）因此可能出现Concurrent Mode Failure，
导致另一次Full GC的出现。
老年代使用达到一定标准，就会激活CMS，JDK1.5默认%68,1.6默认%92，
如果运行期间预留的内存无法满足程序需要，就会出现Concurrent Mode Failure，临时启用Serial OLD

由于使用标记-清除算法，产生了大量空间碎片，
如果无法找到足够大的连续空间来分配当前对象，不得不出发一下Full GC。

G1 收集器 Garbage First。一款新的面向服务端的收集器

并行与并发：充分利用多CPU来缩短Stop The World的时间
分代收集：不需要其他收集器，可以独立管理GC堆
空间整合：整体上是标记-整理算法，局部上是复制算法
可预测的停顿：建立可预测的停顿时间模型

通过将堆空间划分成多个相等的独立区域，新生代与老年代不再是物理隔离的，他们都是一部分Region的集合。

有计划的避免Full GC，G1跟踪各个Region里面的垃圾的价值大小
（回收所获得的的空间大小与回收所需时间的比值），
在后台维护一个优先列表。每次都根据允许的收集时间，优先回收价值最大的Region。
1 初始标记 标记GCRoots 能够直接关联到的对象，并且修改TAMS
2 并发标记 从GC roots进行可达性分析
3 最终标记 修正标记期间因为用户程序继续运作而导致的标记变化
4 筛选回收 制定回收计划，进行回收,与CMS不同的是，筛选回收过程在最终标记后直接进行，需要Stop The world

由于只回收一部分Region，时间是用户可以控制的，而且停顿用户线程将大幅度提高收集效率。

5新生代与老年代的划分

对象有限分配在Eden，Eden没空间则进行一次Minor GC（新生代GC）
长期存活的对象，进入老年代，默认为15次，初始为0，每经过一次Minor GC+1，默认15晋升老年代，也可以调整阀值
大于阀值 PretenureSizeTreshold的直接进入老年代，避免Eden与两个Survivor产生大量的内存复制。
动态对象年龄判定：如果在Survivor中相同连年大小的总和大于Survivor的一般，年龄大于或者等于该年龄的对象直接进入老年代

空间分配担当：如果老年代最大可用的连续空间大于新生代所有的对象的总空间，Minor Gc则可以确保是安全的的，可以设置是否允许担保失败，如果允许，则尝试进行MinorGC，否则进行FullGC。如果MinorGC存活对象过多，出现了HandlePromotionFailure，则在失败后发起FullGC。

一般允许担保失败，避免FullGC过于频繁。