【JVM】垃圾回收的基础知识

什么是垃圾？

没有任何引用指向的对象，就是垃圾

如何找到垃圾？（2 种方法）

过程：先找到正在使用的对象，然后把没有正在使用的对象进行回收

1.引用数-Reference-Count

被引用数为 0 的即为垃圾，在 Java 领域，至少主流的 Java 虚拟机里面都没有选用引用计数算法来管理内存。原因是该算法不能回收循环引用，有缺陷，怎么办呢？根可达算法可以弥补这个缺陷(Root Searching)

2.根可达算法-Root Searching（这个必须要牢牢记住）

• 如何理解根可达？
  算法的基本思路就是通过一系列称为“GC Roots”的根对象作为起始节点集，从这些节点开始，根据引用关系向下搜索，搜索过程所走过的路径称为“引用链”（Reference Chain），如果某个对象到 GC Roots 间没有任何引用链相连，或者用图论的话来说就是从 GC Roots 到这个对象不可达时，则证明此对象是不可能再被使用的

• GC Roots（根对象）都有哪些东西？

1. 在虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象，譬如各个线程被调用的方法堆栈中使用到的参数、局部变量、临时变量等
2. 类的静态成员变量的引用：T.class 对静态变量初始化能够访问到的对象是根对象
3. 常量池：一个 class 用到的其他的 class 对象叫做根对象
4. JNI 指针：本地方法栈中 JNI（即通常所说的 Native 方法）引用的对象。

• 什么是根对象？
  一个线程启动时需要的对象就是根对象

引用数和根可达算法都提到了“引用”，Java中有哪些引用类型？

• 强引用（不被回收）
  当内存空间不足，系统撑不住了，JVM 就会抛出OutOfMemoryError 错误。即使程序会异常终止，这种对象也不会被回收。这种引用属于最普通最强硬的一种存在，只有在和 GC Roots 断绝关系时，才会被消灭掉

• 软引用（内存够不回收，不够再回收）
  在内存足够的时候，软引用对象不会被回收，只有在内存不足时，系统则会回收软引用对象，如果回收了软引用对象之后仍然没有足够的内存，才会抛出内存溢出异常。

• 弱引用（只要发生GC，就会被回收）
  当 JVM 进行垃圾回收时，无论内存是否充足，都会回收被弱引用关联的对象。弱引用拥有更短的生命周期

• 虚引用
  这是一种形同虚设的引用，在现实场景中用的不是很多

如何清除垃圾？（三种算法，必须背过）

• 标记清除-Mark-Sweep
  
  先标记，再清除，存活对象比较多的时候，清除的效率比较高，但是需要扫描两遍（如何理解 2 遍？第一次扫描先找到那些有用的，第二次扫描再找到那些没用的并清除），效率偏低，很容易产生碎片

• 拷贝-Copying
  
  拷贝也称为“半区复制”(Semispace Copying)的垃圾收集算法，它将可用 内存按容量划分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块。当这一块的内存用完了，就将还存活着 的对象复制到另外一块上面，然后再把已使用过的内存空间一次清理掉。如果内存中多数对象都是存 活的，这种算法将会产生大量的内存间复制的开销，但对于多数对象都是可回收的情况，算法需要复 制的就是占少数的存活对象，而且每次都是针对整个半区进行内存回收，分配内存时也就不用考虑有 空间碎片的复杂情况，只要移动堆顶指针，按顺序分配即可。这样实现简单，运行高效，不过其缺陷 也显而易见，这种复制回收算法的代价是将可用内存缩小为了原来的一半，空间浪费太多了一 点，但是效率是最高的
  优点：适用于存活对象较少的情况，而且只扫描一次，效率比较高，且没有碎片
  缺点：空间浪费，移动复制对象，需要调整对象引用

• 标记压缩为紧凑-Mark-Compact
  
  清理垃圾的过程中，把存活的对象全部扔到前面的位置，然后大块的内存就出来了
  优点：不会产生碎片，不会产生内存减半的问题
  缺点：也需要扫描两次，第一次标记有用对象，第二次移动对象，如果移动的过程是多线程的效率就会低很多

堆内存逻辑分区

研究表明，大部分对象，可以分为 2 类

• 大部分对象的生命周期都很短；

• 其他对象则很可能会存活很长时间

  大部分死的快，其他的活的长。这个假设称之为弱代假设。
  
  现在的垃圾回收器，都会在物理上或者逻辑上，把这两类对象进行区分。我们把死的快的对象所占的区域，叫作年轻代（Young generation）。把其他活的长的对象所占的区域，叫作老年代（Old generation）
  

年轻代

• 年轻代采用的算法
  采用复制算法(Copying)。因为年轻代发生 GC 后，只会有非常少的对象存活，复制这部分对象是非常高效的。

  复制算法会造成一定的空间浪费，所以年轻代中间也会分很多区域:年轻代分为：一个伊甸园空间（Eden ），两个幸存者空间（Survivor ）
  

• 年轻代的 GC 过程
  一个对象产生之后首先在栈上分配，如果栈上空间不够，会进入伊甸区（Eden），当年轻代中的 Eden 区分配满的时候，就会触发年轻代的 GC（Minor GC）。具体过程如下：
  1. 在 Eden 区执行了第一次 GC 之后，存活的对象会被移动到其中一个 Survivor 分区（以下简称 from）；
  2. Eden 区再次 GC，这时会采用复制算法，将 Eden 和 from 区一起清理。存活的对象会被复制到 to 区；接下来，只需要清空 from 区就可以了。
  所以在这个过程中，总会有一个 Survivor 分区是空置的。Eden、from、to 的默认比例是 8:1:1，所以只会造成 10% 的空间浪费。这个比例，是由参数-XX:SurvivorRatio进行配置的（默认为 8）。

• 一个对象的分配逻辑
  
  1.栈上分配
  栈上分配对象比在堆上分配要快很多
  2.TLAB 上分配
  TLAB 的全称是 Thread Local Allocation Buffer，JVM 默认给每个线程在 Eden 区中开辟一个 buffer 区域，默认占用 1%Eden 的空间，用来加速对象分配，这个道理和 Java 语言中的 ThreadLocal 类似，避免了对公共区的操作，以及一些锁竞争。
  3.Eden 分配

老年代

• 老年代垃圾回收算法
  老年代一般使用“标记-清除”、“标记-整理”算法，因为老年代的对象存活率一般是比较高的，空间又比较大，拷贝起来并不划算，还不如采取就地收集的方式。
• 对象是怎么进入老年代的？

1. 提升（Promotion）：年龄达到阈值则进入老年代
   如果对象够老，会通过“提升”进入老年代。关于对象老不老，是通过它的年龄（age）来判断的。每当发生一次 Minor GC，存活下来的对象年龄都会加 1。直到达到一定的阈值，就会把这些“老顽固”给提升到老年代。这些对象如果变的不可达，直到老年代发生 GC 的时候，才会被清理掉。这个阈值，可以通过参数‐XX:+MaxTenuringThreshold 进行配置，最大值是 15，因为它是用 4bit 存储的（所以网络上那些要把这个值调的很大的文章，是没有什么根据的）。

2. 分配担保：Survivor 空间不够，直接分配到老年代空间
   每次存活的对象，都会放入其中一个幸存区，这个区域默认的比例是 10%。但是我们无法保证每次存活的对象都小于 10%，当 Survivor 空间不够，就需要依赖其他内存（指老年代）进行分配担保。这个时候，对象也会直接在老年代上分配

3. 大对象直接在老年代分配
   超出某个大小的对象将直接在老年代分配。这个值是通过参数-XX:PretenureSizeThreshold进行配置的。默认为 0，意思是全部首选 Eden 区进行分配。

4. 动态对象年龄判定
   有的垃圾回收算法，并不要求 age 必须达到 15 才能晋升到老年代，它会使用一些动态的计算方法。比如，如果幸存区中相同年龄对象大小的和，大于幸存区空间大小的一半，大于或等于 age 的对象将会直接进入老年代。

JVM 内存分代模型

除了 ZGC，Epsilon , Shenandiah 之外，都是使用逻辑分代模型
G1 是逻辑分代，物理不分代，除此之外不仅逻辑分代，而且物理分代
YGC：年轻代空间耗尽时触发
FullGC：在老年代无法继续分配空间的时候触发，新生代，老年代同时进行回收

逃逸分析

https://www.cnblogs.com/javastack/p/12923778.html
逃逸：某个变量只在某个方法内部有效叫做无逃逸，如果不止在某个方法内有效，则是逃逸的。类的成员变量是逃逸的，方法变量则是无逃逸的

• 查看 JVM 参数

java -XX:+PrintCommandLineFlags -version

垃圾收集器跟内存大小的关系

1. Serial 几十兆
2. PS 上百兆 - 几个G
3. CMS - 4~6G以下的堆内存
4. G1 - 6G以上的
5. ZGC - 4T - 16T（JDK13）

常见垃圾回收器组合参数设定

-XX:+UseSerialGC 年轻代和老年代都用串行收集器
-XX:+UseParNewGC 年轻代使用ParNew，老年代使用 Serial Old
-XX:+UseParallelGC 年轻代使用Paraller Scavenge，老年代使用Serial Old
-XX:+UseParallelOldGC 新生代Paraller Scavenge，老年代使用Paraller Old
-XX:+UseConcMarkSweepGC，表示年轻代使用ParNew，老年代的用CMS + Serial Old
-XX:+UseG1GC 使用G1垃圾回收器
-XX:+UseZGC 使用ZGC垃圾回收器

STW

如果在垃圾回收的时候（不管是标记还是整理复制），又有新的对象进入怎么办？
为了保证程序不会乱套，最好的办法就是暂停用户的一切线程。也就是在这段时间，你是不能 new 对象的，只能等待。表现在 JVM 上就是短暂的卡顿，什么都干不了。这个头疼的现象，就叫作 Stop the world。简称 STW。
标记阶段，大多数是要 STW 的。如果不暂停用户进程，在标记对象的时候，有可能有其他用户线程会产生一些新的对象和引用，造成混乱。
现在的垃圾回收器，都会尽量去减少这个过程。但即使是最先进的 ZGC，也会有短暂的 STW过程。我们要做的就是在现有基础设施上，尽量减少 GC 停顿。

1. Serial（回收时会停顿，现在用的很少）

单线程清理垃圾,(STW)Stop The World
其中有一个 safe point 的概念需要注意：线程并不是立马就停下来，而是找一个安全点停止
单机 CPU 效率最高，内存比较小的时候可以接受这种垃圾回收器，内存越大，垃圾回收的时间越长，因此这种垃圾回收器在 server 端使用的越来越少。通常使用在客户端上

2.Serial Old 组合

单线程在老年代回收垃圾

3.ParallelScavenge + Parallel Old 组合（简称 PS+PO 还有很多公司在使用，如果不设置，就是这么一个组合）

PS 使用复制算法清除垃圾
PO 使用标记整理算法清除垃圾
多线程清理垃圾

4.ParNew（Parallel New）+ CMS 组合

ParNew 是 ParallelScavenge 的一个增强变种，为了和 CMS 搭配使用
(STW)Stop The World