垃圾收集机制

一. 垃圾收集算法

1. 标记-复制算法

一般应用于年轻代中，将内存分为相同大小的两块，每次使用其中一块；本次使用完成后，将存活对象复制到另一侧，并清空这块内存。
问题：该种方式浪费空间

2. 标记-清除算法

一般应用于老年代。
（1）标记阶段：标记存活的对象
（2）清除阶段：清除未被标记的对象
（3）问题：效率较低；标记清除后会产生大量不连续空间

3. 标记-整理算法

优点：避免内存碎片产生

二. 垃圾收集器

垃圾收集器使用图.png

1. serial收集器(串行收集器)

（1）使用serial收集器配置：
-XX: +UseSerialGC
-XX: +UseSerialOldGC
（2）串行收集

串行收集示意图.png

注：STW(stop the world)暂停所有用户线程，并开始清理系统垃圾，这样做的原因是防止在垃圾清理过程中对象引用发生变化，产生新的未标记到的垃圾。

2. parallel收集器(JDK8默认)

（1）开启parallel收集器配置：
-XX: +UseParallelGC
-XX: +UseParallelOldGC
（2）并发收集

并发收集.png

3. parNew收集器

与parallel类型，主要区别为可与CMS配合使用

4. CMS垃圾收集器

基于标记-清除算法实现，底层使用写屏障模式
4.1 流程示意图

CMS收集器流程.png

（1）初始标记：执行STW(stop the world)，此时用户线程均已停止，垃圾收集器通过引用链分析法找到gc根节点直接引用的对象，该阶段速度极快

User u = new User();  // 对象u为User类的直接引用

（2）并发标记：并发的含义是应用线程与回收线程并发运行，垃圾收集器将接替初始标记到的对象向下一直寻找堆中的引用，由于此时引用链变得复杂，这部分标记将使用并发标记；相较于STW标记方式，并发标记兼顾了用户线程的执行与垃圾收集，故此处垃圾收集时间将较长

class Person {
  string p_name;
  int p_id;
}
Person p = new Person("xiaoming", 10);
u.setPerson(p);        // 该引用非直接引用，将在并发标记阶段执行标记

（3）重新标记：修正并发标记期间由于用户行为改变的标记对象，底层使用三色标记法
（4）并发清理：将未标记的对象进行清除
（5）并发重置：重置本次GC标记的数据
（6）CMS的缺点：

• 对CPU资源较为敏感，并发标记等阶段gc会与用户线程争夺资源
• 无法处理浮动垃圾，在并发标记和并发清理阶段又产生的垃圾，只能等到下次GC进行处理
• 底层使用回收算法“标记-清除”导致产生大量碎片，我们可以通过-XX: +UseCMSComputeAtFullCollection，当JVM执行完标记清除后再整理碎片
• 垃圾收集过程中可能触发concurrent mode failure(并发模式失败)：
  在并发标记与并发清理过程中，用户线程将产生新的对象存入老年代，而此时若老年代已满，将激发CMS算法触发full gc(serial old)，执行串行STW
  （7）三色标记法(CMS底层算法)
  处理并发标记过程中，对象引用变化的问题；
  会产生漏标的问题，例如以下情况：

class A {
  B b = new B();
  D d = null;
}
class B{
  C c = new C();
  D d = new D();
}
class C {}
public static void main() {
  A a = new A();
  D d = a.b.d;          // 插入读屏障
  a.b.d = null;          // 写屏障
  a.d = d;                // 写屏障
}

三色标记法.png

注：最终不回收黑色/灰色对象，只回收白色对象
（8）对三色标记漏标问题的处理

• 增量更新方式
  采用缓存记录并发标记过程中扫描的对象，重新标记过程中将从缓存中重新扫描这些对象。

  
  增量更新方式.png
• 原始快照方式
  使用缓存方式作为快照集合，将被删除的引用放入集合中记录，并将对象节点标为黑色，成为浮动垃圾，在下轮清理的过程中会清理该种浮动垃圾。
• 实现增量更新/原始快照方式：写屏障
  给某个对象的成员变量赋值时，在赋值前后进行操作

void oop_field_store(oop* field, oop new_value) {
  pre_write_barrier(field);
  *field = new_value;
  post_write_barrier(field);
}

（9）记忆集与卡表
解决跨代引用问题

5. G1收集器

G1收集器将java堆分为大小相等的多个独立区域(Region)，种类为：
Eden区，survive区，old区及Humongous区
其中Humongous区存放占内存过大对象(一个对象超过region50%，默认被放入Humongous区域)
（1）G1收集流程

G1收集流程.png

• 筛选回收过程：对各个Region回收价值与成本进行排序，依据用户期望GC停顿回收时间制定回收计划(通过-XX:+MaxGCPauseMills修改用户预期停顿阈值)，将STW限制在一定时间范围内，增强用户体验
• 底层采用复制算法回收
• 优先级列表：考虑gc时间，占用内存空间等
  （2）G1收集算法分类：
• young GC：计算当前Eden区回收时是否到达设定的时间阈值，不到达该阈值，则继续将对象放入Eden区；到达阈值，则进行一次Young GC
• mixed GC：回收所有年轻代，部分老年代及Humouongs区域垃圾，是否触发mixed GC由收集阈值确定，阈值的设置通过-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent设定。
• full gc：STW，当老年代完全放满时开始执行，采用单线程进行标记，清理空间
  （3）G1垃圾收集器使用场景：
• 所用系统的堆中50%以上空间被存活对象占用
• 对象分配及晋升到老年代的速度变化较大时
• 垃圾收集时间较长时，比如超过1秒钟
• 堆内存较大(因为底层使用的是复制算法)，超过8GB以上
• 停顿时间在500ms以内
  注：不同内存推荐使用的算法版本：
• 堆内存4G以下推荐使用parallel
• 堆内存4-8G使用CMS+parallel
• 堆内存8G以上使用G1