垃圾回收的常見算法

垃圾回收的常見算法

• 2.1 引用計數法
• 2.1.1 原理
• 2.1.2 優缺點
• 2.2 標記清除法
• 2.2.1 原理
• 2.2.2 優缺點
• 2.3 標記壓縮算法
• 2.3.1 原理
• 2.3.2 優缺點
• 2.4 複製算法
• 2.4.1 JVM中年輕代內存空間
• 2.4.2 優缺點
• 2.5 分代算法
• 3 垃圾收集器以及內存分配
• 3.1 串行垃圾收集器
• 3.1.1 編寫測試代碼
• 3.1.2 設置垃圾回收爲串行收集器
• 3.2 並行垃圾收集器
• 3.2.1 ParNew垃圾收集器
• 3.2.2 ParallelGC垃圾收集器
• 3.3 CMS垃圾收集器
• 3.3.1 測試
• 3.4 G1垃圾收集器（重點）
• 3.4.1 原理
• 3.4.2 Young GC
• 3.4.2.1 Remembered Set（已記憶集合）
• 3.4.3 Mixed GC
• 3.4.3.1 全局併發標記
• 3.4.3.2 拷貝存活對象
• 3.4.4 G1收集器相關參數
• 3.4.5 測試
• 3.4.6 對於G1垃圾收集器優化建議
• 4 可視化GC日誌分析工具
• 4.1 GC日誌輸出參數
• 4.2 GC Easy可視化工具

自動化的管理內存資源，垃圾回收機制必需要有一套算法來進行計算，那些是有效的對象，那些是無效的對象，對於無效的對象
就要進行回收處理。
常見的垃圾回收算法有 ：引用計數法、標記清除法、標記壓縮法、複製算法、分代算法等。

 

2.1 引用計數法

引用計數是歷史最悠久的一種算法，最先George E. Collins在1960的首次提出，50年後的今天，該算法依然被不少編程語言使用。

2.1.1 原理

假設有一個對象A，任何一個對象對A的引用，那麼對象A的引用計數器+1，當引用失敗時，對象A的引用計數器就-1，若是對象A的計算器的值
爲0，就說明對象A沒有引用了，能夠被回收。如圖所示

2.1.2 優缺點

優勢 ：
	一、實時性較高，無需等到內存不夠的時候，纔開始回收，運行時根據對象的計數器是否爲0，就能夠直接回收。
	二、在垃圾回收過程當中，應用無需掛起。若是申請內存時，內存不足，則馬上報outofmember錯誤。
	三、區域性，更新對象的計數器時，只是影響到該對象，不會掃描所有對象。
缺點 ：
	一、每次對象唄引用時，都須要去更新計數器，有一點時間開銷。
	二、浪費CPU資源，即便內存夠用，任然在運行時進行計數器的統計。
	三、沒法解決循環引用問題。（最大的缺點）

雖然a和b都爲null，可是因爲a和b存在循環引用，這樣a和b永遠都不回被回收。

2.2 標記清除法

標記清除算法，是將垃圾回收分爲2個階段，分別是標記和清除。
	標記 ：從根節點開始標記引用的對象。
	清除 ：未被標記引用的對象就是垃圾對象，能夠被清理。

2.2.1 原理

這張圖表明的是程序運行期間全部對象的狀態，它們的標誌位所有是0（也就是未標記，如下默認0就是未標記，1爲已標記），
假設這會兒有效內存空間耗盡了，JVM將會中止應用程序的運行並開啓GC線程，而後開始進行標記工做，按照根搜索算法，標記完之後，對象的狀態以下圖。

能夠看到，按照根搜索算法，全部從root對象可達的對象就被標記爲存活的對象，此時已經完成了第一階段標記。接下來，就要
執行第二階段清除了，那麼清除完之後，剩下的對象以及對象的狀態以下圖所示。

能夠看到，沒有被標記的對象將會回收清除掉，而被標記的對象將會留下，而且會將標記從新歸0.接下來就不用說了，喚醒中止
的程序線程，讓程序繼續運行便可。

2.2.2 優缺點

能夠看到，標記清除算法解決了引用計數算法中的循環引用的問題，沒有從root節點引用的對象都會被回收。一樣，標記清除算法也是有缺點的 ：
一、效率較低，標記和清除兩個動做都須要遍歷全部的對象，而且在GC時，須要中止應用程序，對於交互性要求比較高的應用
而言這個體驗是很是差的。
二、經過標記清除算法清理出來的內容，碎片化較爲嚴重，由於被回收的對象可能存在於內存的各個角落，因此清理出來的內存是不連貫的。

2.3 標記壓縮算法

標記壓縮算法是在標記清除算法的基礎之上，作了優化改進的算法。和標記清除算法同樣，也是從根節點開始，對對象的引用進行標記，在清理階段，並非簡單的清理未標記的對象，而是將存活的對象壓縮到內存的一端，而後清理邊界之外的垃圾，從而解決了碎片化的問題。

2.3.1 原理

2.3.2 優缺點

優缺點同標記清除算法，解決了標記清除算法的碎片化的問題，同時，標記壓縮算法多了一步，對象移動內存位置的步驟，其效率也有必定的影響。

2.4 複製算法

複製算法的核心就是，將原有的內存空間一分爲二，每次只用其中的一塊，在垃圾回收時，將正在使用的對象複製到另外一個內存空間中，而後將該內存空間清空，交換兩個內存的角色，完成垃圾的回收。
若是內存中的垃圾對象較多，須要複製的對象就較少，這種狀況下適合使用該方式而且效率比較高，反之，則不適合。

2.4.1 JVM中年輕代內存空間

一、在GC開始的時候，對象只會存在於Eden區和名爲「From」的Survivor區，Survivor區「To」是空的。
二、緊接着進行GC，Eden區中全部存活的對象都會被複制到「To」，而在「From」區中，仍存活的對象會根據它們的年齡值來決定去向。年齡達到必定值（年齡閥值，能夠經過-XX:MaxTenuringThreshold來設置）的對象會被移動到年老代中，沒有達到閥值的對象會被複制到「To」區域。
三、通過此次GC後，Eden區和From區已經被清空。這個時候，「From」和「To」會交換他們的角色，也就是新的「To」就是上次GC前的「From」，新的「From」就是上次GC前的「To」。無論怎樣，都會保證名爲To的Survivor區域是空的。
四、GC會一直重複這樣的過程，直到「To」區被填滿，「To」區被填滿以後，會將全部對象移動到年老代中。

2.4.2 優缺點

優勢 ：
	一、在垃圾對象多的狀況下，效率較高。
	二、清理後，內存無碎片。
缺點 ：
	一、在垃圾對象少的狀況下，不適用，如 ：老年代內存。
	二、分配的2塊內存空間，在同一時刻，只能使用一半，內存使用率較低。

2.5 分代算法

前面介紹了不少種回收算法，每一種算法都有本身的優勢也有缺點，誰都不能替代誰，因此根據垃圾回收對象的特色進行選擇，纔是明智的選擇。
分代算法其實就是這樣的，根據回收對象的特色進行選擇，在jvm中，年輕代適合使用複製算法，老年代適合使用標記清除或標記壓縮算法。

3 垃圾收集器以及內存分配

在jvm中，實現了多種垃圾收集器，包括 ：串行垃圾收集器、並行垃圾收集器、CMS（併發）垃圾收集器、G1垃圾收集器。

3.1 串行垃圾收集器

串行垃圾收集器，是指使用單線程進行垃圾回收，垃圾回收時，只有一個線程在工做，而且java應用中的全部線程都要暫停，等待垃圾回收的完成。這種現象稱之爲STW （Stop-The-World）
對於交互性較強的應用而言，這種垃圾收集器是不可以接受的。
通常在javaweb應用中是不會採用該收集器的。

3.1.1 編寫測試代碼

3.1.2 設置垃圾回收爲串行收集器

在程序運行參數中添加2個參數，以下 ：
	-XX:+UseSerialGC : 指定年輕代和老年代都使用串行垃圾收集器
	-XX:+PrintGCDetails : 打印垃圾回收的詳細信息
爲了測試GC，將堆的初始和最大內存都設置爲16M
-XX:+UseSerialGC -XX:+PrintGCDetails -Xms16m -Xmx16m
啓動程序，能夠看到下面信息 ：

GC日誌信息解讀 ：
年輕代的內存GC先後的大小 ：
	DefNew : 表示使用的是串行垃圾收集器。
	Allocation Failure : 表示內存分配失敗。
	4416K -> 512K(4928K) : 表示，年輕代GC前，佔有4416K內存，GC後，佔有512K內存，總大小4928K。
	0.0046102 secs : 表示GC所用的時間，單位爲毫秒。
	4416K->1973K(15872K) : 表示，GC前，堆內存佔有4416K，GC後，佔有1973K，總大小爲15872K。
	Full GC ：表示，內存空間所有進行GC

3.2 並行垃圾收集器

並行垃圾收集器在串行垃圾收集器的基礎之上作了改進，將單線程改成了多線程進行垃圾回收，這樣能夠縮短垃圾回收的時間。（這裏是指，
並行能力較強的機器）
固然了，並行垃圾收集器在收集的過程當中也會暫停應用程序，這個和串行垃圾回收器是同樣的，只是並行執行，速度更快些，暫停的時間
更短一些。

3.2.1 ParNew垃圾收集器

ParNew垃圾收集器是僅僅工做在年輕代上，只是將串行的垃圾收集器改成了並行。
經過-XX:+UseParNewGC參數設置年輕代使用ParNew回收器，老年代使用的依然是串行收集器。

參數 ：
-XX:+UseParNewGC -XX:+PrintGCDetails -Xms16m -Xmx16m
打印出的信息

由以上信息能夠看出，ParNew : 使用的是ParNew收集器。其餘信息和串行收集器一致。

3.2.2 ParallelGC垃圾收集器

ParallelGC收集器工做機制和ParNewGC收集器同樣，只是在此基礎之上新增了兩個和系統吞吐量相關的參數，使得其使用起來更加的靈
活和高效。
相關參數以下 ：
	-XX:+UseParellelGC
		年輕代使用ParallelGC垃圾回收器，老年代使用串行回收器。
	-XX:+UseParallelOldGC
		年輕代使用ParallelGC垃圾回收器，老年代使用ParallelOldGC垃圾回收器。
	-XX:MaxGCPauseMillis
		設置最大的垃圾收集時的停頓時間，單位爲毫秒。
		須要注意的是，ParallelGC爲了達到設置的停頓時間，可能會調整堆大小或其餘的參數，若是堆的大小設置的較小，就會致使GC工做
		變的很頻繁，反而可能會影響到性能。
		該參數使用需謹慎。		
	-XX:+GCTimeRatio
		設置垃圾回收時間佔程序運行時間的百分比，公式爲1/(1 + n)。
		它的值爲0 ~ 100之間的數字，默認值是99，也就是垃圾回收時間不能超過1%。
	-XX:UseAdaptiveSizePolicy
		自適應GC模式，垃圾回收器將自動調整新生代、老年代等參數，達到吞吐量、堆大小、停頓時間之間的平衡。
		通常用於，手動調整參數比較困難的場景，讓收集器自動進行調整。

參數 ：
	-XX:+UseParallelGC
	-XX:+UseParallelOldGC
	-XX:MaxGCPauseMillis=100
	-XX:+PrintGCDetails
	-Xms16m
	-Xmx16m

有以上信息能夠看出，年輕代和老年代都使用了ParallelGC垃圾回收器。

3.3 CMS垃圾收集器

CMS全稱Concurrent Mark Sweep，是一款併發的、使用標記-清除算法的垃圾回收器，該回收器是針對老年代垃圾回收的，經過參數-XX:+
UseConcMarkSweepGC進行設置。
CMS垃圾回收器的執行過程以下 ：

初始化標記（CMS-initial-mark），標記root，會致使stw；
併發標記（CMS-concurrent-mark），與用戶線程同時運行；
預清理（CMS-concurrent-preclean），與用戶線程同時運行；
從新標記（CMS-remark），會致使stw；
併發清除（CMS-concurrent-sweep），與用戶線程同時運行；
調整堆大小，設置CMS在清理以後進行內存壓縮，目的是清理內存中的碎片；
併發重置狀態等待下次CMS的觸發（CMS-concurrent-reset），與用戶線程同時運行；

3.3.1 測試

設置啓動參數
-XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:+PrintGCDetails -Xms16m -Xmx16m

由以上日誌信息，能夠看出CMS執行的過程。

3.4 G1垃圾收集器（重點）

G1垃圾收集器是在jdk1.7中正式使用的全新的垃圾收集器，oracle官方計劃在jdk9中將G1變成默認的垃圾
收集器，以替代CMS。
G1的設計原則就是簡化JVM性能調優，開發人員只須要簡單的三步便可完成調優 ：
	1. 第一步，開啓G1垃圾收集器
	2. 第二步，設置堆的最大內存
	3. 第三部，設置最大的停頓時間
G1中提供了三種模式垃圾回收模式，Young GC、Mixed GC和Full GC，在不一樣的條件下被觸發。

3.4.1 原理

G1垃圾收集器相對比其餘收集器而言，最大的區別在於它取消了年輕代、老年代的物理劃分，取而代之的是將堆劃分爲若
幹個區域（Region），這些區域中包含了有邏輯上的年輕代、老年代區域。
這樣作的好處就是，咱們不再用單獨的空間對每一個代進行設置了，不用擔憂每一個代內存是否足夠。

在G1劃分的區域中，年輕代的垃圾收集依然採用暫停全部應用線程的方式，將存活對象拷貝到老年代或者Survivor空間，G1
收集器經過將對象從一個區域複製到另一個區域，完成了清理工做。
這就意味着，在正常的處理過程當中，G1完成了堆的壓縮（至少是部分堆的壓縮），這樣也就不會有cms內存碎片問題的存在了。

在G1，有一個特殊的區域，叫Humongous區域。
	若是一個對象佔用的空間超過了分區容量50%以上，G1收集器就認爲這是一個巨型對象。
	這些巨型對象，默認直接會被分配在老年代，可是若是它是一個短時間存在的巨型對象，就會對垃圾收集器形成影響。
	爲了解決這個問題，G1劃分了一個Humongous區，它用來專門存放巨型對象。若是一個H區裝不下一個巨型對象，那麼G1
	會尋找連續的H分區來存儲。爲了能找到連續的H區，有時候不得不啓動Full GC。

3.4.2 Young GC

Young GC主要是對Eden區進行GC，它在Eden空間耗盡時會被觸發。
Eden空間的數據移動到Survivor空間中，若是Survivor空間不夠，Eden空間的部分數據會直接晉升到年老代空間。
Survivor區的數據移動到新的Survivor區中，也有部分數據晉升到老年代空間中。
最終Eden空間的數據爲空，GC中止工做，應用線程繼續執行。

3.4.2.1 Remembered Set（已記憶集合）

在GC年輕代的對象時，咱們如何找到年輕代中對象的根對象呢？
根對象多是在年輕代中，也能夠在老年代中，那麼老年代中的全部對象都是根麼？
若是全量掃描老年代，那麼這樣掃描下來會耗費大量的時間。
因而，G1引進了RSet的概念。它的全稱是Remenbreed Set，其做用是跟蹤指向某個堆內的對象引用。

每一個Region初始化時，會初始化一個RSet，該集合用來記錄並跟蹤其它Region指向該Region中對象的引用，每一個Region默認
按照512kb劃分紅多個Card，因此RSet須要記錄的東西應該是xx Region的xx Card。	
每一個RSet集合就是記錄每一個Region中對象被引用的信息。這樣尋找根對象時直接掃描RSet集合就行。

3.4.3 Mixed GC

當愈來愈多的對象晉升到老年代old region時，爲了不堆內存被耗盡，虛擬機會觸發一個混合的垃圾收集器，即Mixed GC，
該算法並非一個Old GC，除了回收整個YoungRegin，還會回收一部分的Old Region，這裏須要注意 ：是一部分老年代，而
不是所有老年代，能夠選擇那些old region進行收集，從而能夠對垃圾回收的耗時時間進行控制。也要注意的是Mixed GC並非
Full GC。
Mixed GC何時觸發？由參賽-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=n 決定。默認 ：45%，該參數的意思是 ：當老年代大小
佔整個堆大小百分比達到該閥值時觸發。
它的GC步驟分2步 ：
	1 . 全局併發標記（global concurrent marking）
	2 . 拷貝存活對象（evacuation）

3.4.3.1 全局併發標記

全局併發標記，執行過程分爲五個步驟 ：
	初始標記（initial mark,STW）
		標記從根節點直接可達的對象，這個階段會執行一次年輕代GC，會產生全局停頓。
	根區域掃描（root region scan）
		G1 GC在初始標記的存活區掃描對老年代的引用，並標記被引用的對象。
		該階段與應用程序（非STW）同時運行，而且只有完成該階段後，才能開始下一次STW年輕代垃圾回收。
	併發標記（Concurrent Marking）		
		G1 GC在整個堆中查找可訪問的（存活的）對象。該階段與應用程序同時運行，能夠被STW年輕代垃圾回收中斷。
	從新標記（Renark，STW）
		該階段是STW回收，由於程序在運行，針對上一次的標記進行修正。
	清除垃圾（Cleanup，STW）
		清除和重置標記狀態，該階段會STW，這個階段並不會實際上去作垃圾的收集，等待evacuation	階段來回收。

3.4.3.2 拷貝存活對象

Evacuation階段是全暫停的。該階段把一部分Region裏的活對象拷貝到另外一部分Region中，從而實現垃圾的回收清理。

3.4.4 G1收集器相關參數

-XX:+UseG1GC
	使用G1垃圾收集器
-XX:MaxGCPauseMillis
	設置指望達到的最大GC停頓時間指標（JVM會盡力實現，但不保證達到），默認值是200毫秒。
-XX:G1HeapRegionSize=n
	設置的G1區域的大小。值時2的冪，範圍是1MB到32MB之間。目標是根據最小的Java堆大小劃分出約2048個區域。
	默認是堆內存的1/2000。
-XX:ConcGCThreads=n
	設置並行標記的線程數。將n設置爲並行垃圾回收線程數（ParallelGCThreads）的1/4左右。
-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=n
	設置觸發標記週期的Java堆佔有率閥值。默認佔用率是整個Java堆的45%。

3.4.5 測試

-XX:+UseG!GC -XX:MaxGCPauseMillis=100 -XX:+PrintGCDetails -Xmx256m

3.4.6 對於G1垃圾收集器優化建議

年輕代大小
	避免使用-Xmn選項或-XX:NewRatio等其餘相關選項顯示設置年輕代大小。
	固定年輕代的大小會覆蓋暫停時間目標。
暫停時間目標不要太過嚴苛
	G1 GC的吞吐量目標是90%的應用程序時間和10%的垃圾回收時間。
	評估G1 GC的吞吐量時，暫停時間目標不要太嚴苛。目標太多嚴苛表示您願意承受更多的垃圾回收開銷，而這會直接影響到吞吐量。

4 可視化GC日誌分析工具

4.1 GC日誌輸出參數

前面經過-XX:+PrintGCDetail能夠對GC日誌進行打印，咱們就能夠在控制檯查看，這樣雖然能夠查看GC的信息，可是並不直觀，能夠藉助於
第三方的GC的日誌分析工具進行查看。

在日誌打印輸出設計到的參數以下 ：	
	-XX:+PrintGC 輸出GC日誌
	-XX:+PrintGCDetails 輸出GC的詳細日誌
	-XX:+PrintGCTimeStamps 輸出GC的時間戳（以基準時間的形式）
	-XX:+PrintGCDateStamps 輸出GC的時間戳（以日期的形式，如2013-05-04T21:53:59.234+0800)
	-XX:+PrintHeapAtGC 在進行GC的先後打印出堆的信息
	-Xloggc:../logs/gc.log 日誌文件的輸出路徑
測試 ：
	-XX:+UseG1GC -XX:MaxGCPauseMillis=100 -Xmx256m -XX:+PrintGCDetails
	-XX:+PrintGCTimeStamps -XX:+PrintGCDateStamps -XX:+PrintHeapAtGC
	-Xloggc:F://test//gc.log
運行後就能夠在F盤下生成gc.log文件。

4.2 GC Easy可視化工具

GC Easy是一款在線的可視化工具，易用、功能強大，網站 ：https://gceasy.io/

這個是顯示JVM堆的總大小、年輕代大小、老年代大小。

這個是顯示GC停頓時間和吞吐率

各個GC執行狀況