5 垃圾收集算法

5.1 三大垃圾收集算法

1.标记/清除算法【最基础】

2.复制算法

3.标记/整理算法 jvm采用`分代收集算法`对不同区域采用不同的回收算法

新生代采用复制算法

新生代中因为对象都是"朝生夕死的"，【深入理解JVM虚拟机上说98%的对象,不知道是不是这么多，总之就是存活率很低】，适用于复制算法【复制算法比较适合用于存活率低的内存区域】。它优化了标记/清除算法的效率和内存碎片问题，且JVM不以5:5分配内存【由于存活率低，不需要复制保留那么大的区域造成空间上的浪费，因此不需要按1:1【原有区域:保留空间】划分内存区域，而是将内存分为一块Eden空间和From Survivor、To Survivor【保留空间】，三者默认比例为8:1:1，优先使用Eden区，若Eden区满，则将对象复制到第二块内存区上。但是不能保证每次回收都只有不多于10%的对象存货，所以Survivor区不够的话，则会依赖老年代年存进行分配】。

GC开始时，对象只会存于Eden和From Survivor区域，To Survivor【保留空间】为空。

GC进行时，Eden区所有存活的对象都被复制到To Survivor区，而From Survivor区中，仍存活的对象会根据它们的年龄值决定去向，年龄值达到年龄阈值(默认15是因为对象头中年龄战4bit，新生代每熬过一次垃圾回收，年龄+1)，则移到老年代，没有达到则复制到To Survivor。

老年代采用标记/清除算法或标记/整理算法

由于老年代存活率高，没有额外空间给他做担保，必须使用这两种算法。

5.2 枚举根节点算法

GC Roots 被虚拟机用来判断对象是否存活

可达性分析算法需考虑

1.如果方法区几百兆，一个个检查里面的引用，将耗费大量资源。

2.在分析时，需保证这个对象引用关系不再变化，否则结果将不准确。【因此GC进行时需停掉其它所有java执行线程(Sun把这种行为称为‘Stop the World’)，即使是号称几乎不会停顿的CMS收集器，枚举根节点时也需停掉线程】

解决办法:实际上当系统停下来后JVM不需要一个个检查引用，而是通过OopMap数据结构【HotSpot的叫法】来标记对象引用。

虚拟机先得知哪些地方存放对象的引用，在类加载完时。HotSpot把对象内什么偏移量什么类型的数据算出来，在jit编译过程中，也会在特定位置记录下栈和寄存器哪些位置是引用，这样GC在扫描时就可以知道这些信息。【目前主流JVM使用准确式GC】

OopMap可以帮助HotSpot快速且准确完成GC Roots枚举以及确定相关信息。但是也存在一个问题，可能导致引用关系变化。

safepoint(安全点)

HotSpot中GC不是在任意位置都可以进入，而只能在safepoint处进入。GC时对一个Java线程来说，它要么处在safepoint,要么不在safepoint。

safepoint不能太少，否则GC等待的时间会很久

safepoint不能太多，否则将增加运行GC的负担

1:循环的末尾 

2:方法临返回前/调用方法的call指令后 

3:可能抛异常的位置

6.垃圾收集器

年轻代收集器 Serial、ParNew、Parallel Scavenge 

老年代收集器 Serial Old、Parallel Old、CMS收集器 

特殊收集器 G1收集器[新型，不在年轻、老年代范畴内]

新生代收集器

6.1 Serial

最基本、发展最久的收集器，在jdk3以前是gc收集器的唯一选择，Serial是单线程收集器，Serial收集器只能使用一条线程进行收集工作，在收集的时候必须得停掉其它线程，等待收集工作完成其它线程才可以继续工作。

虽然Serial看起来很坑，需停掉别的线程以完成自己的gc工作，但是也不是完全没用的，比如说Serial在运行在Client模式下优于其它收集器[简单高效,不过一般都是用Server模式，64bit的jvm甚至没Client模式]

优点:对于Client模式下的jvm来说是个好的选择。适用于单核CPU【现在基本都是多核了】

缺点:收集时要暂停其它线程，有点浪费资源，多核下显得。

6.2 ParNew收集器

可以认为是Serial的升级版，因为它支持多线程[GC线程]，而且收集算法、Stop The World、回收策略和Serial一样，就是可以有多个GC线程并发运行，它是HotSpot第一个真正意义实现并发的收集器。默认开启线程数和当前cpu数量相同【几核就是几个，超线程cpu的话就不清楚了 - -】，如果cpu核数很多不想用那么多，可以通过-XX:ParallelGCThreads来控制垃圾收集线程的数量。

优点:

1.支持多线程，多核CPU下可以充分的利用CPU资源

2.运行在Server模式下新生代首选的收集器【重点是因为新生代的这几个收集器只有它和Serial可以配合CMS收集器一起使用】 

缺点: 在单核下表现不会比Serial好，由于在单核能利用多核的优势，在线程收集过程中可能会出现频繁上下文切换，导致额外的开销。

6.3 Parallel Scavenge

采用复制算法的收集器，和ParNew一样支持多线程。

但是该收集器重点关心的是吞吐量【吞吐量 = 代码运行时间 / (代码运行时间 + 垃圾收集时间)  如果代码运行100min垃圾收集1min，则为99%】

对于用户界面，适合使用GC停顿时间短,不然因为卡顿导致交互界面卡顿将很影响用户体验。

对于后台

高吞吐量可以高效率的利用cpu尽快完成程序运算任务，适合后台运算

Parallel Scavenge注重吞吐量，所以也成为"吞吐量优先"收集器。

老年代收集器

6.4 Serial Old

和新生代的Serial一样为单线程，Serial的老年代版本，不过它采用"标记-整理算法"，这个模式主要是给Client模式下的JVM使用。

如果是Server模式有两大用途

1.jdk5前和Parallel Scavenge搭配使用，jdk5前也只有这个老年代收集器可以和它搭配。

2.作为CMS收集器的后备。

6.5 Parallel Old

支持多线程，Parallel Scavenge的老年版本，jdk6开始出现， 采用"标记-整理算法"【老年代的收集器大都采用此算法】

在jdk6以前，新生代的Parallel Scavenge只能和Serial Old配合使用【根据图，没有这个的话只剩Serial Old，而Parallel Scavenge又不能和CMS配合使用】，而且Serial Old为单线程Server模式下会拖后腿【多核cpu下无法充分利用】，这种结合并不能让应用的吞吐量最大化。

Parallel Old的出现结合Parallel Scavenge，真正的形成“吞吐量优先”的收集器组合。

6.6 CMS

CMS收集器(Concurrent Mark Sweep)是以一种获取最短回收停顿时间为目标的收集器。【重视响应，可以带来好的用户体验，被sun称为并发低停顿收集器】

启用CMS：-XX:+UseConcMarkSweepGC

正如其名，CMS采用的是"标记-清除"(Mark Sweep)算法，而且是支持并发(Concurrent)的

它的运作分为4个阶段

1.初始标记:标记一下GC Roots能直接关联到的对象，速度很快 

2.并发标记:GC Roots Tarcing过程，即可达性分析 

3.重新标记:为了修正因并发标记期间用户程序运作而产生变动的那一部分对象的标记记录，会有些许停顿，时间上一般 初始标记 < 重新标记 < 并发标记 4.并发清除

以上初始标记和重新标记需要stw(停掉其它运行java线程)

之所以说CMS的用户体验好，是因为CMS收集器的内存回收工作是可以和用户线程一起并发执行。

总体上CMS是款优秀的收集器，但是它也有些缺点。

1.cms堆cpu特别敏感，cms运行线程和应用程序并发执行需要多核cpu，如果cpu核数多的话可以发挥它并发执行的优势，但是cms默认配置启动的时候垃圾线程数为 (cpu数量+3)/4，它的性能很容易受cpu核数影响，当cpu的数目少的时候比如说为为2核，如果这个时候cpu运算压力比较大，还要分一半给cms运作，这可能会很大程度的影响到计算机性能。

2.cms无法处理浮动垃圾，可能导致Concurrent Mode Failure（并发模式故障）而触发full GC

3.由于cms是采用"标记-清除“算法,因此就会存在垃圾碎片的问题，为了解决这个问题cms提供了 -XX:+UseCMSCompactAtFullCollection选项，这个选项相当于一个开关【默认开启】，用于CMS顶不住要进行full GC时开启内存碎片合并，内存整理的过程是无法并发的，且开启这个选项会影响性能(比如停顿时间变长)

浮动垃圾:由于cms支持运行的时候用户线程也在运行，程序运行的时候会产生新的垃圾，这里产生的垃圾就是浮动垃圾，cms无法当次处理，得等下次才可以。

6.7 G1收集器

G1(garbage first:尽可能多收垃圾，避免full gc)收集器是当前最为前沿的收集器之一(1.7以后才开始有)，同cms一样也是关注降低延迟，是用于替代cms功能更为强大的新型收集器，因为它解决了cms产生空间碎片等一系列缺陷。

摘自甲骨文:适用于 Java HotSpot VM 的低暂停、服务器风格的分代式垃圾回收器。G1 GC 使用并发和并行阶段实现其目标暂停时间，并保持良好的吞吐量。当 G1 GC 确定有必要进行垃圾回收时，它会先收集存活数据最少的区域（垃圾优先)

g1的特别之处在于它强化了分区，弱化了分代的概念，是区域化、增量式的收集器，它不属于新生代也不属于老年代收集器。

用到的算法为标记-清理、复制算法

jdk1.7,1.8的都是默认关闭的，更高版本的还不知道 开启选项 -XX:+UseG1GC 比如在tomcat的catania.sh启动参数加上

g1是区域化的，它将java堆内存划分为若干个大小相同的区域【region】，jvm可以设置每个region的大小(1-32m,大小得看堆内存大小，必须是2的幂),它会根据当前的堆内存分配合理的region大小。

g1通过并发(并行)标记阶段查找老年代存活对象，通过并行复制压缩存活对象【这样可以省出连续空间供大对象使用】。

g1将一组或多组区域中存活对象以增量并行的方式复制到不同区域进行压缩，从而减少堆碎片，目标是尽可能多回收堆空间【垃圾优先】，且尽可能不超出暂停目标以达到低延迟的目的。

g1提供三种垃圾回收模式 young gc、mixed gc 和 full gc,不像其它的收集器，根据区域而不是分代，新生代老年代的对象它都能回收。

g1是自适应的回收器，提供了若干个默认值，无需修改就可高效运作 -XX:G1HeapRegionSize=n  设置g1 region大小，不设置的话自己会根据堆大小算，目标是根据最小堆内存划分2048个区域 -XX:MaxGCPauseMillis=200 最大停顿时间 默认200毫秒

7 Minor GC、Major GC、FULL GC、mixed gc

在年轻代Young space(包括Eden区和Survivor区)中的垃圾回收称之为 Minor GC,Minor GC只会清理年轻代.

7.2 Major GC

Major GC清理老年代(old GC)，但是通常也可以指和Full GC是等价，因为收集老年代的时候往往也会伴随着升级年轻代，收集整个Java堆。所以有人问的时候需问清楚它指的是full GC还是old GC。

7.3 Full GC

full gc是对新生代、老年代、永久代【jdk1.8后没有这个概念了】统一的回收

7.4 mixed GC【g1特有】

混合GC

收集整个young gen以及部分old gen的GC。只有G1有这个模式

8 查看GC日志

要看得懂并理解GC，需要看懂GC日志。

这边我在idea上试了个小例子，需要在idea配置参数(-XX:+PrintGCDetails)。

[GC (System.gc()) [PSYoungGen: 3998K->688K(38400K)] 3998K->696K(125952K), 0.0016551 secs[本次回收时间]] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.00 secs] [Full GC (System.gc()) [PSYoungGen: 688K->0K(38400K)] [ParOldGen: 8K->603K(87552K)] 696K->603K(125952K), [Metaspace: 3210K->3210K(1056768K)], 0.0121034 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.01 secs] Heap PSYoungGen[年轻代]      total 38400K, used 333K [0x0000000795580000, 0x0000000798000000, 0x00000007c0000000)  eden space 33280K, 1% used [0x0000000795580000,0x00000007955d34a8,0x0000000797600000)  from space 5120K, 0% used [0x0000000797600000,0x0000000797600000,0x0000000797b00000)  to   space 5120K, 0% used [0x0000000797b00000,0x0000000797b00000,0x0000000798000000) ParOldGen[老年代]       total 87552K, used 603K [0x0000000740000000, 0x0000000745580000, 0x0000000795580000)  object space 87552K, 0% used [0x0000000740000000,0x0000000740096fe8,0x0000000745580000) Metaspace[元空间]      used 3217K, capacity 4496K, committed 4864K, reserved 1056768K  class space    used 352K, capacity 388K, committed 512K, reserved 1048576K

8.2 离线工具查看

比如sun的gchisto，gcviewer离线分析工具

8.3 自带的jconsole工具、jstat命令

终端输入jconsole就会出现jdk自带的gui监控工具

可以根据内存使用情况间接了解内存使用和gc情况

jstat命令

比如jstat -gcutil pid查看对应java进程gc情况

s0: 新生代survivor space0简称 就是准备复制的那块 单位为%

s1:指新生代s1已使用百分比，为0的话说明没有存活对象到这边

e:新生代eden(伊甸园)区域(%)

o:老年代(%)

ygc:新生代 次数

ygct:minor gc耗时

fgct:full gc耗时(秒)

GCT: ygct+fgct 耗时