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垃圾回收流程的一些流程
哪些對象是垃圾?
當(dāng)我們進(jìn)行垃圾回收的時候，首先需要判斷哪些對象是存活的?
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常用的方法有如下兩種
- 引用計數(shù)法
- 可達(dá)性分析法
Python判斷對象存活的算法用的是引用計數(shù)法，而Java則使用的是可達(dá)性分析法。
「通過GC ROOT可達(dá)的對象，不能被回收，不可達(dá)的對象則可以被回收，搜索走過的路徑叫做引用鏈」
不可達(dá)對象會進(jìn)行2次標(biāo)記的過程，通過GC ROOT不可達(dá)，會被第一次標(biāo)記。如果需要執(zhí)行finalize()方法，則這個對象會被放入一個隊列中執(zhí)行finalize()，如果在finalize()方法中成功和引用鏈上的其他對象關(guān)聯(lián)，則會被移除可回收對象集合(「一般你不建議你使用finalize方法」)，否則被回收
「常見的GC ROOT有如下幾種」
- 虛擬機(jī)棧(棧幀中的本地變量表)中引用的對象
- 方法區(qū)中類靜態(tài)屬性引用的對象
- 方法區(qū)中常量引用的對象
- 本地方法棧中JNI(Native方法)引用的對象
「照這樣看，程序中的GC ROOT有很多，每次垃圾回收都要對GC ROOT的引用鏈分析一遍，感覺耗費的時間很長啊，有沒有可能減少每次掃描的GC ROOT?」
分代和跨代引用
其實當(dāng)前虛擬機(jī)大多數(shù)都遵循了“分代收集”理論進(jìn)行設(shè)計，它的實現(xiàn)基于2個分代假說之上
- 絕大多數(shù)對象都是朝生夕滅的
- 熬過多次垃圾收集過程的對象就越難以消亡
因此堆一般被分為新生代和老年代，針對新生代的GC叫MinorGC，針對老年代的GC叫OldGC。但是分代后有一個問題，為了找到新生代的存活對象，不得不遍歷老年代，反過來也一樣
當(dāng)進(jìn)行MinorGC的時候，如果我們只遍歷新生代，那么可以判定ABCD為存活對象。但是E不會被判斷為存活對象，所以就會有問題。
為了解決這種跨代引用的對象，最笨的辦法就是遍歷老年代的對象，找出這些跨代引用的對象。但這種方式對性能影響較大
這時就不得不提到第三個假說
「跨代引用相對于同代引用來說僅占極少數(shù)。」
根據(jù)這條假說，我們就不需要為了少量的跨代引用去掃描整個老年代?！笧榱吮苊獗闅v老年代的性能開銷，垃圾回收器會引入一種記憶集的技術(shù)，記憶集就是用來記錄跨代引用的表」
如新生代的記憶集就保存了老年代持有新生代的引用關(guān)系
所以在進(jìn)行MinorGC的時候，只需要將包含跨代引用的內(nèi)存區(qū)域加入GC ROOT一起掃描就行了
卡表
前面我們說到垃圾收集器用記憶集來記錄跨代引用。其實你可以把記憶集理解為接口，卡表理解為實現(xiàn)，類比Map和HashMap。
卡表最簡單的形式可以只是一個字節(jié)數(shù)組， 而HotSpot虛擬機(jī)確實也是這樣做的。以下這行代碼是HotSpot默認(rèn)的卡表標(biāo)記邏輯：
- CARD_TABLE [this address >> 9] = 0;
HotSpot用一個數(shù)組元素來保存對應(yīng)的內(nèi)存地址是有有跨代引用對象(從this address右移9位可以看出每個元素映射了512字節(jié)的內(nèi)存)
當(dāng)數(shù)組元素值為0時表明對應(yīng)的內(nèi)存地址不存在跨代引用對象，否則存在(稱為卡表中這個元素變臟)
如何更新卡表?
「將卡表元素變臟的過程，HotSpot是通過寫屏障來實現(xiàn)的」，即當(dāng)其他代對象引用當(dāng)前分代對象的時候，在引用賦值階段更新卡表，具體實現(xiàn)方式類似于AOP
- void oop_field_store(oop* field, oop new_value) {
- // 引用字段賦值操作
- *field = new_value;
- // 寫后屏障，在這里完成卡表狀態(tài)更新
- post_write_barrier(field, new_value);
三色標(biāo)記法
執(zhí)行思路
「如何判斷一個對象可達(dá)呢?這就不得不提到三色標(biāo)記法」
白色：剛開始遍歷的時候所有對象都是白色的 灰色：被垃圾回收器訪問過，但至少還有一個引用未被訪問 黑色：被垃圾回收器訪問過，并且這個對象的所有引用都被訪問過，是安全存活的對象(GC ROOT會被標(biāo)記為黑色)
以上圖為例，三色標(biāo)記法的執(zhí)行流程如下
先將GC ROOT引用的對象B和E標(biāo)記為灰色
接著將B和E引用的對象A，C和F標(biāo)記為灰色，此時B和E標(biāo)記為黑色
依次類推，最終被標(biāo)記為白色的對象需要被回收
三色標(biāo)記法問題
可達(dá)性分析算法根節(jié)點枚舉這一步必須要在一個能保障一致性的快照中分析，所以要暫停用戶線程(Stop The World ，STW)，在各種優(yōu)化技巧的加持下，停頓時間已經(jīng)非常短了。
在從根節(jié)點掃描的過程則不需要STW，但是也會發(fā)生一些問題。由于此時垃圾回收線程和用戶線程一直運行，所以引用關(guān)系會發(fā)生變化
- 應(yīng)該被回收的對象被標(biāo)記為不被回收
- 不應(yīng)該被回收的對象標(biāo)記為應(yīng)該回收
第一種情況影響不大，大不了后續(xù)回收即可。但是第二種情況則會造成致命錯誤
所以經(jīng)過研究表明，只有同時滿足兩個條件才會發(fā)生第二種情況
插入了一條或者多條黑色到白色對象的引用
刪除了全部從灰色到白色對象的引用
為了解決這個問題，我們破壞2個條件中任意一個不就行了，由此產(chǎn)生了2中解決方案，「增量更新」和「原始快照」。CMS使用的是增量更新，G1使用的是原始快照
「增量更新要破壞的是第一個條件」， 當(dāng)黑色對象插入新的指向白色對象的引用關(guān)系時， 就將這個新插入的引用記錄下來， 等并發(fā)掃描結(jié)束之后， 再將這些記錄過的引用關(guān)系中的黑色對象為根， 重新掃描一次。這可以簡化理解為， 黑色對象一旦新插入了指向白色對象的引用之后， 它就變回灰色對象了
「原始快照要破壞的是第二個條件」， 當(dāng)灰色對象要刪除指向白色對象的引用關(guān)系時， 就將這個要刪除的引用記錄下來， 在并發(fā)掃描結(jié)束之后， 再將這些記錄過的引用關(guān)系中的灰色對象為根， 重新掃描一次。這也可以簡化理解為， 無論引用關(guān)系刪除與否， 都會按照剛剛開始掃描那一刻的對象圖快照來進(jìn)行搜索。
參考自《深入理解Java虛擬機(jī)》
垃圾收集器
圖中展示了七種作用于不同分代的收集器，如果兩個收集器之間存在連線，就說明它們可以搭配使用。在JDK8時將Serial+CMS，ParNew+Serial Old這兩個組合聲明為廢棄，并在JDK9中完全取消了這些組合的支持
并行和并發(fā)都是并發(fā)編程中的專業(yè)名詞，在談?wù)摾占鞯纳舷挛恼Z境中， 它們可以理解為
「并行(Parallel)」：指多條垃圾收集線程并行工作，但此時用戶線程仍然處于等待狀態(tài)
「并發(fā)(Concurrent」)：指用戶線程與垃圾收集線程同時執(zhí)行
Serial收集器
「新生代，標(biāo)記-復(fù)制算法，單線程。進(jìn)行垃圾收集時，必須暫停其他所有工作線程，直到它收集結(jié)束」
ParNew收集器
「ParNew本質(zhì)上是Serial收集器的多線程并行版本」
Parallel Scavenge收集器
「新生代，標(biāo)記復(fù)制算法，多線程，主要關(guān)注吞吐量」
吞吐量=運行用戶代碼時間/(運行用戶代碼時間+運行垃圾收集時間)
Serial Old收集器
「老年代，標(biāo)記-整理算法，單線程，是Serial收集器的老年代版本」
用處有如下2個
- 在JDK5以及之前的版本中與Parallel Scavenge收集器搭配使用
- 作為CMS收集器發(fā)生失敗時的后備預(yù)案，在并發(fā)收集發(fā)生Concurrent Mode Failure時使用
Parallel Old收集器
「老年代，標(biāo)記-整理算法，多線程，是Parallel Scavenge收集器的老年代版本」
在注重吞吐量或者處理器資源較為稀缺的場合，都可以優(yōu)先考慮Parallel Scavenge加Parallel Old收集器這個組合
CMS收集器
「老年代，標(biāo)記-清除算法，多線程，主要關(guān)注延遲」
運作過程分為4個步驟
- 初始標(biāo)記(CMS initial mark)
- 并發(fā)標(biāo)記(CMS concurrent mark)
- 重新標(biāo)記(CMS remark)
- 并發(fā)清除(CMS concurrent sweep)
- 初始標(biāo)記：標(biāo)記一下GC Roots能直接關(guān)聯(lián)到的對象，速度很快(這一步會發(fā)生STW)
- 并發(fā)標(biāo)記：從GC Roots的直接關(guān)聯(lián)對象開始遍歷整個對象圖的過程，這個過程耗時較長但是不需要停頓用戶線程，可以與垃圾收集一起并發(fā)運行
- 重新標(biāo)記：為了修正并發(fā)標(biāo)記期間，因用戶程序繼續(xù)運作而導(dǎo)致標(biāo)記產(chǎn)生變動的那一部分對象的標(biāo)記記錄(「就是三色標(biāo)記法中的增量更新」，這一步也會發(fā)生STW)
- 并發(fā)清除：清理刪除掉標(biāo)記階段判斷的已經(jīng)死亡的對象，由于不需要移動存活對象，所以看這個階段也是可以與用戶線程同時并發(fā)的
總結(jié)
| 收集器 | 收集對象和算法 | 收集器類型 | 說明 | 適用場景 |
|---|---|---|---|---|
| Serial | 新生代，復(fù)制算法 | 單線程 | 簡單高效；適合內(nèi)存不大的情況 | |
| ParNew | 新生代，復(fù)制算法 | 并行的多線程收集器 | ParNew垃圾收集器是Serial收集器的多線程版本 | 搭配CMS垃圾回收器的首選 |
| Parallel Scavenge吞吐量優(yōu)先收集器 | 新生代，復(fù)制算法 | 并行的多線程收集器 | 類似ParNew，更加關(guān)注吞吐量，達(dá)到一個可控制的吞吐量 | 本身是Server級別多CPU機(jī)器上的默認(rèn)GC方式，主要適合后臺運算不需要太多交互的任務(wù) |
| 收集器 | 收集對象和算法 | 收集器類型 | 說明 | 適用場景 |
|---|---|---|---|---|
| Serial Old | 老年代，標(biāo)記整理算法 | 單線程 | Client模式下虛擬機(jī)使用 | |
| Parallel Old | 老年代，標(biāo)記整理算法 | 并行的多線程收集器 | Paraller Scavenge收集器的老年代版本，為了配置Parallel Svavenge的面向吞吐量的特性而開發(fā)的對應(yīng)組合 | 在注重吞吐量以及CPU資源敏感的場合采用 |
| CMS | 老年代，標(biāo)記清除算法 | 并行與并發(fā)收集器 | 盡可能的縮短垃圾收集時用戶線程停止時間；缺點在于，1.內(nèi)存碎片，2.需要更多CPU資源，3.浮動垃圾問題，需要更大的堆空間 | 重視服務(wù)的相應(yīng)速度，系統(tǒng)停頓時間和用戶體驗的互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)站或者B/S系統(tǒng)?；ヂ?lián)網(wǎng)后端目前cms是主流的垃圾回收器 |
| G1 | 跨新生代和老年代；標(biāo)記整理+化整為零 | 并行與并發(fā)收集器 | JDK1.7才正式引入，采用分區(qū)回收的思維，基本不犧牲吞吐量的前提下完成低停頓的內(nèi)存回收；可預(yù)測的停頓是其最大的優(yōu)勢 |
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當(dāng)前標(biāo)題：StopTheWorld是何時發(fā)生的？
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