![](http://img.blog.itpub.net/blog/2020/04/15/e06fd2a032505c9a.png?x-oss-process=style/bb)

垃圾收集主要是針對堆和方法區進行。程式計數器、虛擬機器棧和本地方法棧這三個區域屬於執行緒私有的，只存在於執行緒的生命週期內，執行緒結束之後就會消失，因此不需要對這三個區域進行垃圾回收。

# 一、判斷一個物件是否可被回收

**1. 引用計數演算法**

為物件新增一個引用計數器，當物件增加一個引用時計數器加 1，引用失效時計數器減 1。引用計數為 0 的物件可被回收。

在兩個物件出現迴圈引用的情況下，此時引用計數器永遠不為 0，導致無法對它們進行回收。正是因為迴圈引用的存在，因此 Java 虛擬機器不使用引用計數演算法。
```
public class Test {

public Object instance = null;

public static void main(String[] args) {
        Test a = new Test();
        Test b = new Test();
        a.instance = b;
        b.instance = a;
        a = null;
        b = null;
        doSomething();
    }
}
```
在上述程式碼中，a 與 b 引用的物件例項互相持有了物件的引用，因此當我們把對 a 物件與 b 物件的引用去除之後，由於兩個物件還存在互相之間的引用，導致兩個 Test 物件無法被回收。

- 優點：執行效率高，程式執行受影響較小。
- 缺點：無法檢測出迴圈引用的情況，引起記憶體洩漏。

**2. 可達性分析演算法**

透過判斷物件的引用鏈是否可達來決定物件是否可以被回收。

以 GC Roots 為起始點進行搜尋，可達的物件都是存活的，不可達的物件可被回收。

Java 虛擬機器使用該演算法來判斷物件是否可被回收，GC Roots 一般包含以下內容：

- 虛擬機器棧中區域性變數表中引用的物件（棧幀中的本地方法變數表）
- 本地方法棧中 JNI（Native方法） 中引用的物件
- 方法區中類靜態屬性引用的物件
- 方法區中的常量引用的物件
- 活躍執行緒的引用物件

**3. 方法區的回收**

因為方法區主要存放永久代物件，而永久代物件的回收率比新生代低很多，所以在方法區上進行回收價效比不高。

主要是對常量池的回收和對類的解除安裝。

為了避免記憶體溢位，在大量使用反射和動態代理的場景都需要虛擬機器具備類解除安裝功能。

類的解除安裝條件很多，需要滿足以下三個條件，並且滿足了條件也不一定會被解除安裝：

- 該類所有的例項都已經被回收，此時堆中不存在該類的任何例項。
- 載入該類的 ClassLoader 已經被回收。
- 該類對應的 Class 物件沒有在任何地方被引用，也就無法在任何地方透過反射訪問該類方法。

**4. finalize()**

類似 C++ 的解構函式，用於關閉外部資源。但是 try-finally 等方式可以做得更好，並且該方法執行代價很高，不確定性大，無法保證各個物件的呼叫順序，因此最好不要使用。

當一個物件可被回收時，如果需要執行該物件的 finalize() 方法，那麼就有可能在該方法中讓物件重新被引用，從而實現自救。自救只能進行一次，如果回收的物件之前呼叫了 finalize() 方法自救，後面回收時不會再呼叫該方法。

**Object 的finalize()方法的作用是否與C++的解構函式作用相同？**

- 與C++的解構函式不同，解構函式呼叫確定，而finalize()方法是不確定的；
- 當垃圾回收器要宣告一個物件死亡時，至少要經歷兩次標記過程。如果物件在進行可達性分析以後，沒有與GC Root直接相連線的引用量，就會被第一次標記，並且判斷是否執行finalize()方法；如果這個物件覆蓋了finalize()方法，並且未被引用，就會被放置於F-Queue佇列，稍後由虛擬機器建立的一個低優先順序的finalize()執行緒去執行觸發finalize()方法；
- 由於執行緒的優先順序比較低，執行過程隨時可能會被終止；
- 給予物件最後一次重生的機會

# 二、引用型別

無論是透過引用計數演算法判斷物件的引用數量，還是透過可達性分析演算法判斷物件是否可達，判定物件是否可被回收都與引用有關。

Java 提供了四種強度不同的引用型別。

**1. 強引用**

被強引用關聯的物件不會被回收。

使用 new 一個新物件的方式來建立強引用。
```
Object obj = new Object();
```
丟擲OOM Error終止程式也不會回收具有強引用的物件，只有透過將物件設定為null來弱化引用，才能使其被回收。

**2. 軟引用**

表示物件處在有用但非必須的狀態。

被軟引用關聯的物件只有在記憶體不夠的情況下才會被回收。可以用來實現記憶體敏感的快取記憶體。

使用 SoftReference 類來建立軟引用。
```
Object obj = new Object();
SoftReference<object> sf = new SoftReference<object>(obj);
obj = null;  // 使物件只被軟引用關聯
```

**3. 弱引用**

表示非必須的物件，比軟引用更弱一些。適用於偶爾被使用且不影響垃圾收集的物件。

被弱引用關聯的物件一定會被回收，也就是說它只能存活到下一次垃圾回收發生之前。

使用 WeakReference 類來建立弱引用。
```
Object obj = new Object();
WeakReference<object> wf = new WeakReference<object>(obj);
obj = null;
```

**4. 虛引用**

又稱為幽靈引用或者幻影引用，一個物件是否有虛引用的存在，不會對其生存時間造成影響，也無法透過虛引用得到一個物件。

不會決定物件的生命週期，任何時候都可能被垃圾回收器回收。必須和引用佇列ReferenceQueue聯合使用。

為一個物件設定虛引用的唯一目的是能在這個物件被回收時收到一個系統通知，起哨兵作用。具體來說，就是透過判斷引用佇列ReferenceQueue是否加入虛引用來判斷被引用物件是否被GC回收。

使用 PhantomReference 來建立虛引用。
```
Object obj = new Object();
ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue();
PhantomReference<object> pf = new PhantomReference<object>(obj, queue);
obj = null;
```

>引用佇列（ReferenceQueue）：當GC（垃圾回收執行緒）準備回收一個物件時，如果發現它還僅有軟引用(或弱引用，或虛引用)指向它，就會在回收該物件之前，把這個軟引用（或弱引用，或虛引用）加入到與之關聯的引用佇列（ReferenceQueue）中。如果一個軟引用（或弱引用，或虛引用）物件本身在引用佇列中，就說明該引用物件所指向的物件被回收了。無實際的儲存結構，儲存邏輯依賴於內部節點之間的關係來表達。

# 三、垃圾收集演算法

**1. 標記 - 清除**

在標記階段，從根集合進行掃描，會檢查每個物件是否為活動物件，如果是活動物件，則程式會在物件頭部打上標記。

在清除階段，會進行物件回收並取消標誌位，另外，還會判斷回收後的分塊與前一個空閒分塊是否連續，若連續，會合並這兩個分塊。回收物件就是把物件作為分塊，連線到被稱為 “空閒連結串列” 的單向連結串列，之後進行分配時只需要遍歷這個空閒連結串列，就可以找到分塊。

在分配時，程式會搜尋空閒連結串列尋找空間大於等於新物件大小 size 的塊 block。如果它找到的塊等於 size，會直接返回這個分塊；如果找到的塊大於 size，會將塊分割成大小為 size 與 (block - size) 的兩部分，返回大小為 size 的分塊，並把大小為 (block - size) 的塊返回給空閒連結串列。

不足：

- 標記和清除過程效率都不高；
- 會產生大量不連續的記憶體碎片，導致無法給大物件分配記憶體。

**2. 標記 - 整理**

讓所有存活的物件都向一端移動，然後直接清理掉端邊界以外的記憶體。

優點:
- 不會產生記憶體碎片

不足:
- 需要移動大量物件，處理效率比較低。

**3. 複製**

將記憶體劃分為大小相等的兩塊，每次只使用其中一塊，當這一塊記憶體用完了就將還存活的物件複製到另一塊上面，然後再把使用過的記憶體空間進行一次清理。

主要不足是隻使用了記憶體的一半。

現在的商業虛擬機器都採用這種收集演算法回收新生代，但是並不是劃分為大小相等的兩塊，而是一塊較大的 Eden 空間和兩塊較小的 Survivor 空間，每次使用 Eden 和其中一塊 Survivor。在回收時，將 Eden 和 Survivor 中還存活著的物件全部複製到另一塊 Survivor 上，最後清理 Eden 和使用過的那一塊 Survivor。

HotSpot 虛擬機器的 Eden 和 Survivor 大小比例預設為 8:1，保證了記憶體的利用率達到 90%。如果每次回收有多於 10% 的物件存活，那麼一塊 Survivor 就不夠用了，此時需要依賴於老年代進行空間分配擔保，也就是借用老年代的空間儲存放不下的物件。

**4. 分代收集**

Stop-the-World

- JVM由於要執行GC而停止了應用程式的執行；
- 任何一種GC演算法中都會發生；
- 多數GC最佳化透過減少Stop-the-world發生的時間來提升程式效能。

Safepoint

分析過程中物件引用關係不會發生變化的點；
產生Safepoint的地方：方法呼叫；迴圈跳轉；異常跳轉等
現在的商業虛擬機器採用分代收集演算法，它根據物件存活週期將記憶體劃分為幾塊，不同塊採用適當的收集演算法。

一般將堆分為新生代和老年代。

- 新生代使用：複製演算法
- 老年代使用：標記 - 清除 或者 標記 - 整理 演算法

# 四、垃圾收集器

以上是 HotSpot 虛擬機器中的 7 個垃圾收集器，連線表示垃圾收集器可以配合使用。

- 單執行緒與多執行緒：單執行緒指的是垃圾收集器只使用一個執行緒，而多執行緒使用多個執行緒；
- 序列與並行：序列指的是垃圾收集器與使用者程式交替執行，這意味著在執行垃圾收集的時候需要停頓使用者程式；並行指的是垃圾收集器和使用者程式同時執行。除了 CMS 和 G1 之外，其它垃圾收集器都是以序列的方式執行。

**1. Serial 收集器（-XX:+UseSerialGC）**

Serial 翻譯為序列，也就是說它以序列的方式執行。

它是單執行緒的收集器，只會使用一個執行緒進行垃圾收集工作。

它的優點是簡單高效，在單個 CPU 環境下，由於沒有執行緒互動的開銷，因此擁有最高的單執行緒收集效率。

它是 Client 場景下的預設新生代收集器，因為在該場景下記憶體一般來說不會很大。它收集一兩百兆垃圾的停頓時間可以控制在一百多毫秒以內，只要不是太頻繁，這點停頓時間是可以接受的。

**2. ParNew 收集器（-XX:+UseParNewGC）**

它是 Serial 收集器的多執行緒版本。

它是 Server 場景下預設的新生代收集器，除了效能原因外，主要是因為除了 Serial 收集器，只有它能與 CMS 收集器配合使用。

**3. Parallel Scavenge 收集器（-XX:+UseParallelGC）**

與 ParNew 一樣是多執行緒收集器。

其它收集器目標是儘可能縮短垃圾收集時使用者執行緒的停頓時間，而它的目標是達到一個可控制的吞吐量，因此它被稱為“吞吐量優先”收集器。這裡的吞吐量指 CPU 用於執行使用者程式的時間佔總時間的比值。

停頓時間越短就越適合需要與使用者互動的程式，良好的響應速度能提升使用者體驗。而高吞吐量則可以高效率地利用 CPU 時間，儘快完成程式的運算任務，適合在後臺運算而不需要太多互動的任務。

縮短停頓時間是以犧牲吞吐量和新生代空間來換取的：新生代空間變小，垃圾回收變得頻繁，導致吞吐量下降。

可以透過一個開關引數開啟 GC 自適應的調節策略（GC Ergonomics），就不需要手工指定新生代的大小（-Xmn）、Eden 和 Survivor 區的比例、晉升老年代物件年齡等細節引數了。虛擬機器會根據當前系統的執行情況收集效能監控資訊，動態調整這些引數以提供最合適的停頓時間或者最大的吞吐量。

**4. Serial Old 收集器（-XX:+UseSerialOldGC）**

是 Serial 收集器的老年代版本，也是給 Client 場景下的虛擬機器使用。如果用在 Server 場景下，它有兩大用途：

- 在 JDK 1.5 以及之前版本（Parallel Old 誕生以前）中與 Parallel Scavenge 收集器搭配使用。
- 作為 CMS 收集器的後備預案，在併發收集發生 Concurrent Mode Failure 時使用。

**5. Parallel Old 收集器（-XX:+UseParallelOldGC）**

是 Parallel Scavenge 收集器的老年代版本。

在注重吞吐量以及 CPU 資源敏感的場合，都可以優先考慮 Parallel Scavenge 加 Parallel Old 收集器。

**6. CMS 收集器（-XX:+UseConcMarkSweepGC）**

CMS（Concurrent Mark Sweep），Mark Sweep 指的是標記 - 清除演算法。

分為以下六個流程：

- 初始標記：僅僅只是標記一下 GC Roots 能直接關聯到的物件，速度很快，需要停頓。
- 併發標記：進行 GC Roots Tracing 的過程，它在整個回收過程中耗時最長，不需要停頓。
- 併發預清理：查詢執行併發標記階段從年輕代晉升到老年代的物件
- 重新標記：為了修正併發標記期間因使用者程式繼續運作而導致標記產生變動的那一部分物件的標記記錄，需要停頓。
- 併發清除：清理垃圾物件，不需要停頓。
- 併發重置：重置CMS收集器的資料結構，等待下一次垃圾回收。
在整個過程中耗時最長的併發標記和併發清除過程中，收集器執行緒都可以與使用者執行緒一起工作，不需要進行停頓。

具有以下缺點：

- 吞吐量低：低停頓時間是以犧牲吞吐量為代價的，導致 CPU 利用率不夠高。
- 無法處理浮動垃圾，可能出現 Concurrent Mode Failure。浮動垃圾是指併發清除階段由於使用者執行緒繼續執行而產生的垃圾，這部分垃圾只能到下一次 GC 時才能進行回收。由於浮動垃圾的存在，因此需要預留出一部分記憶體，意味著 CMS 收集不能像其它收集器那樣等待老年代快滿的時候再回收。如果預留的記憶體不夠存放浮動垃圾，就會出現 Concurrent Mode Failure，這時虛擬機器將臨時啟用 Serial Old 來替代 CMS。
- 標記 - 清除演算法導致的空間碎片，往往出現老年代空間剩餘，但無法找到足夠大連續空間來分配當前物件，不得不提前觸發一次 Full GC。

**7. G1 收集器（-XX:+UseG1GC）**

G1（Garbage-First），它是一款面向服務端應用的垃圾收集器，在多 CPU 和大記憶體的場景下有很好的效能。HotSpot 開發團隊賦予它的使命是未來可以替換掉 CMS 收集器。

堆被分為新生代和老年代，其它收集器進行收集的範圍都是整個新生代或者老年代，而 G1 可以直接對新生代和老年代一起回收。

G1 把堆劃分成多個大小相等的獨立區域（Region），新生代和老年代不再物理隔離。

透過引入 Region 的概念，從而將原來的一整塊記憶體空間劃分成多個的小空間，使得每個小空間可以單獨進行垃圾回收。這種劃分方法帶來了很大的靈活性，使得可預測的停頓時間模型成為可能。透過記錄每個 Region 垃圾回收時間以及回收所獲得的空間（這兩個值是透過過去回收的經驗獲得），並維護一個優先列表，每次根據允許的收集時間，優先回收價值最大的 Region。

每個 Region 都有一個 Remembered Set，用來記錄該 Region 物件的引用物件所在的 Region。透過使用 Remembered Set，在做可達性分析的時候就可以避免全堆掃描。

如果不計算維護 Remembered Set 的操作，G1 收集器的運作大致可劃分為以下幾個步驟：

- 初始標記
- 併發標記
- 最終標記：為了修正在併發標記期間因使用者程式繼續運作而導致標記產生變動的那一部分標記記錄，虛擬機器將這段時間物件變化記錄線上程的 Remembered Set Logs 裡面，最終標記階段需要把 Remembered Set Logs 的資料合併到 Remembered Set 中。這階段需要停頓執行緒，但是可並行執行。
- 篩選回收：首先對各個 Region 中的回收價值和成本進行排序，根據使用者所期望的 GC 停頓時間來制定回收計劃。此階段其實也可以做到與使用者程式一起併發執行，但是因為只回收一部分 Region，時間是使用者可控制的，而且停頓使用者執行緒將大幅度提高收集效率。

具備如下特點：

- 並行和併發
- 分代收集
- 空間整合：整體來看是基於“標記 - 整理”演算法實現的收集器，從區域性（兩個 Region 之間）上來看是基於“複製”演算法實現的，這意味著執行期間不會產生記憶體空間碎片。
- 可預測的停頓：能讓使用者明確指定在一個長度為 M 毫秒的時間片段內，消耗在 GC 上的時間不得超過 N 毫秒。

# 五、降低停頓時間

**1. 使用 CMS 收集器**
CMS 收集器進行垃圾回收，有 4 個步驟：

- 初始標記
- 併發標記
- 重新標記
- 併發清除

其中初始標記和重新標記需要 "stop the world"，但耗時時間最長的併發標記、併發清除過程中，GC 執行緒都可與使用者執行緒一起工作。整體上說，CMS 和使用者執行緒是並行的。

**2. 增量演算法**

基本思路：若一次性將所有垃圾進行處理，會造成系統長時間的停頓，則就讓 GC 執行緒與使用者執行緒交替執行。每次 GC 執行緒只收集一小塊區域的記憶體空間，接著切換到使用者執行緒，重複幾次，直至 GC 完成。

問題：存線上程切換和上下文切換，造成系統吞吐量下降。</object></object></object></object></object></object>

詳解Java 虛擬機器（第⑤篇）——垃圾收集

相關文章