面試官問我：談談對Java GC的瞭解？回答完讓我回家等消息....

JVM的運行數據區

首先我簡單來畫一張 JVM的結構原理圖，以下。

咱們重點關注 JVM在運行時的數據區，你能夠看到在程序運行時，大體有5個部分。

1.方法區

不止是存「方法」，而是存儲整個 class文件的信息，JVM運行時，類加載器子系統將會提取 class文件裏面的類信息，並將其存放在方法區中。例如類的名稱、類的類型（枚舉、類、接口）、字段、方法等等。

2.堆（ Heap）

熟習 c/c++編程的同窗們應該至關熟習 Heap了，而對於Java而言，每一個應用都惟一對應一個JVM實例，而每個JVM實例惟一對應一個堆。堆主要包括關鍵字 new的對象實例、 this指針，或者者數組都放在堆中，並由應用全部的線程共享。堆由JVM的自動內存管理機制所管理，名爲垃圾回收—— GC（garbage collection）。

3.棧（ Stack）

操做系統內核爲某個進程或者者線程創建的存儲區域,它保存着一個線程中的方法的調用狀態，它具有先進後出的特性。在棧中的數據大小與生命週期嚴格來講都是肯定的，例如在一個函數中公告的int變量即是存儲在 stack中，它的大小是固定的，在函數退出後它的生命週期也今後結束。在棧中，每個方法對應一個棧幀，JVM會對Java棧執行兩種操做：壓棧和出棧。這兩種操做在執行時都是以棧幀爲單位的。還有少許即時編譯器編譯後的代碼等數據。

4.PC寄存器

pc寄存器用於存放一條指令的地址，每個線程都有一個PC寄存器。

5.本地方法棧

用來調用其他語言的本地方法，例如 C/C++寫的本地代碼， 這些方法在本地方法棧中執行，而不會在Java棧中執行。

初識GC

自動垃圾回收機制，簡單來講就是尋覓 Java堆中的無用對象。打個好比：你的房間是JVM的內存，你在房間裏生活會製造垃圾和髒亂，而你媽就是 GC（聽起來有點像罵人）。你媽每時每刻都以爲你房間很髒亂，不時要把你趕出門打掃房間，假如你媽一直在房間打掃，那麼這個過程你沒法繼續在房間打遊戲吃泡麪。但假如你一直在房間，你的房間遲早要變成一個沒法居住的豬窩。

那麼，怎樣樣回收垃圾比較好呢？咱們大體能夠想出下面的思路。

Marking

首先，全部堆中的對象都會被掃描一遍：咱們總得知道哪些是垃圾，哪些是有用的物品吧。因爲垃圾實在太多了，因此，你媽會把全部的要扔掉的東西都找出來並打上一個標籤，到了時機成熟時回頭來一塊兒解決，這樣她就能解決你不須要的廢物、舊傢俱，而不是把你喜歡的衣服或者者身份證之類的東西扔掉。

Normal Deletion

垃圾收集器將清理掉標記的對象：你媽已經整理了一部分雜物（或者者已一概整理完），然後會將他們直接拎出去倒掉。你很開心房間又能夠繼續接受蹂躪了。

Deletion with Compacting

壓縮清理的方法：咱們知道，內存有空閒，並不表明着咱們就能使用它，例如咱們要分配數組這種一段連續空間，若是內存中碎片較多，必定是行不通的。正如房間可能須要再放一個新的牀，可是扔掉舊衣櫃後，原來的位置並不能放得下新牀，因此須要進行空間壓縮，把剩下的傢俱和物檔次置併到一塊兒，這樣就能騰出更多的空間啦。

有趣的是，JVM並非使用類似於 objective-c的 ARC（AutomaticReferenceCounting）的方式來引用計數對象，而是使用了叫根搜索算法( GC Root)的方法，基本思想就是選定少許對象做爲 GC Roots，並組成根對象集合，然後從這些做爲 GC Roots的對象做爲起始點，搜索所走過的引用鏈（ ReferenceChain）。假如目標對象到 GC Roots是鏈接着的，咱們則稱該目標對象是可達的，假如目標對象不可達，則說明目標對象是能夠被回收的對象。

GC Root使用的算法是至關複雜的，你沒必要記住裏面的全部細節。可是你要知道的一點就是，能夠做爲 GC Root的對象能夠主要分爲四種。

1. JVM棧中引用的對象；

2. 方法區中，靜態屬性引用的對象；

3. 方法區中，常量引用的對象；

4. 本地方法棧中，JNI（即Native方法）引用的對象；

在 JDK1.2以後，Java將引用分爲強引用、軟引用、弱引用、虛引用4種，這4種引用強度依次減弱。

分代與GC機制

嗯，聽起來這樣便可以了？可是實際狀況下，很不幸，在JVM中絕大部分對象都是英年早逝的，在編碼時大部分堆中的內存都是短暫臨時分配的，因此不管是效率仍是開銷方面，按上面那樣進行 GC每每是沒法知足咱們需求的。並且，實際上隨着分配的對象增多， GC的時間與開銷將會放大。因此，JVM的內存被分爲了三個主要部分：新生代，老年代和永久代。

新生代

全部新產生的對象一概都在新生代中， Eden區保存最新的對象，有兩個 SurvivorSpace—— S1和 S0，三個區域的比例大體爲 8:1:1。當新生代的 Eden區滿了，將觸發一次 GC，咱們把新生代中的 GC稱爲 minor garbage collections。minor garbage collections是一種 Stopthe world事件，比方你媽在打掃時，會把你趕出去，而不是你一邊扔垃圾她一邊打掃。

咱們來看下對象在堆中的分配過程，首先有新的對象進入時，默認放入新生代的 Eden區， S區都是默認爲空的。下面對象的數字表明經歷了多少次 GC，也就是對象的年齡。

當 eden區滿了，觸發 minor garbage collections，這時還有被引用的對象，就會被分配到 S0區域，剩下沒有被引用的對象就都會被清理。

再一次 GC時， S0區的部分對象極可能會出現沒有引用的，被引用的對象以及 S0中的存活對象，會被一塊兒移動到 S1中。eden和 S0中的未引用對象會被一概清理。

接下來就是無限循環上面的步驟了，當新生代中存活的對象超過了確定的【年齡】，會被分配至老年代的 Tenured區中。這個年齡能夠經過參數 MaxTenuringThreshold設定，默認值爲 15，圖中的例子爲 8次。

新生代管理內存採用的算法爲 GC複製算法( CopyingGC)，也叫標記-複製法，原理是把內存分爲兩個空間:一個 From空間，一個 To空間，對象一開始只在 From空間分配， To空間是空閒的。GC時把存活的對象從 From空間複製粘貼到 To空間，以後把 To空間變成新的 From空間，原來的 From空間變成 To空間。

首先標記不可達對象。

然後移動存活的對象到 to區，並保證他們在內存中連續。

清掃垃圾。

能夠看到上圖操做後內存幾乎都是連續的，因此它的效率是很是高的，可是相對的吞吐量會較大。而且，把內存一分爲二，佔用了將近一半的可用內存。用一段僞代碼來實現大體爲下。

<code>
void copying(){       
 $free = $to_start 
// $free表示To區佔用偏移量，每複製成功一個對象obj,       
// $free向前移動size(obj)        
for(r : $roots)           
 *r = copy(*r) // 複製成功後返回新的引用     
 swap($from_start, $to_start) // GC完成後交互From區與To區的指針 
}
</code>複製代碼

老年代

老年代用來存儲活時間較長的對象，老年代區域的 GC是 major garbage collection，老年代中的內存不夠時，就會觸發一次。這也是一個 Stopthe world事件，可是看名字就知道，這個回收過程會至關慢，因爲這包括了對新生代和老年代全部對象的回收，也叫 FullGC。

老年代管理內存最先採用的算法爲標記-清除算法，這個算法很好了解，結合 GC Root的定義，咱們會把全部不可達的對象一概標記進行清理。

在清理前，黃色的爲不可達對象。

在清理後，一概都變成可達對象。

那麼，這個算法的劣勢很好了解：對，會在標記清理的過程當中產生大量的內存碎片，Java在分配內存時一般是按連續內存分配，這樣咱們會白費不少內存。因此，如今的 JVM GC在老年代都是使用標記-壓縮清理方法，將上圖在清理後的內存進行整理和壓縮，以保證內存連續，儘管這個算法的效率是三種算法裏最低的。

永久代

永久代位於方法區，主要存放元數據，例如 Class、 Method的元信息，與 GC要回收的對象其實關係並非很大，咱們能夠幾乎忽略其對 GC的影響。除了 JavaHotSpot這種較新的虛擬機技術，會回收無用的常量和的類，以避免大量運用反射這類頻繁本身設置 ClassLoader的操做時方法區溢出。

GC收集器與優化

通常而言， GC不該該成爲影響系統性能的瓶頸，咱們在評估 GC收集器的優劣時通常考慮如下幾點：

1. 吞吐量

2. GC開銷

3. 暫停時間

4. GC頻率

5. 堆空間

6. 對象生命週期

因此針對不一樣的 GC收集器，咱們要對應咱們的應用場景來進行選擇和調優，回顧 GC的歷史，主要有 4種 GC收集器: Serial、 Parallel、 CMS和 G1。

Serial

Serial收集器使用了標記-複製的算法，能夠用 -XX:+UseSerialGC使用單線程的串行收集器。可是在 GC進行時，程序會進入長時間的暫停時間，通常不太建議使用。

Parallel

-XX:+UseParallelGC-XX:+UseParallelOldGCParallel也使用了標記-複製的算法，可是咱們稱之爲吞吐量優先的收集器，因爲 Parallel最主要的優點在於並行使用多線程去完成垃圾清除工做，這樣能夠充分利用多核的特性，大幅下降 gc時間。當你的程序場景吞吐量較大，例如消息隊列這種應用，須要保證有效利用 CPU資源，能夠忍受確定的停頓時間，能夠優先考慮這種方式。

CMS ( ConcurrentMarkSweep)

-XX:+UseParNewGC-XX:+UseConcMarkSweepGCCMS使用了標記-清理的算法，當應用尤爲重視服務器的響應速度（比方 Apiserver），但願系統停頓時間最短，以給客戶帶來較好的體驗，那麼能夠選擇 CMS。CMS收集器在 MinorGC時會暫停全部的應用線程，並以多線程的方式進行垃圾回收。在 FullGC時不暫停應用線程，而是使用若干個後端線程按期的對老年代空間進行掃描，及時回收其中再也不使用的對象。

G1（ GarbageFirst）

-XX:+UseG1GC 在堆比較大的時候，假如 full gc頻繁，會致使停頓，而且調用方阻塞、超時、甚至雪崩的狀況出現，因此下降 full gc的發生頻率和須要時間，很是有必要。G1的誕生正是爲了下降 FullGC的次數，而相較於 CMS， G1使用了標記-壓縮清理算法，這能夠大大下降較大內存（ 4GB以上） GC時產生的內存碎片。

G1提供了兩種 GC模式， YoungGC和 MixedGC，兩種都是 StopTheWorld(STW)的。YoungGC主要是對 Eden區進行 GC， MixGC不只進行正常的新生代垃圾收集，同時也回收部分後端掃描線程標記的老年代分區。

另外有趣的一點， G1將新生代、老年代的物理空間劃分取消了，而是將堆劃分爲若干個區域（ region），每一個大小都爲 2的倍數且大小一概一致，最多有 2000個。除此以外， G1專門劃分了一個 Humongous區，它用來專門存放超過一個 region 50%大小的巨型對象。在正常的解決過程當中，對象從一個區域複製到另一個區域，同時也完成了堆的壓縮。

經常使用參數
-XX:+UseSerialGC：在新生代和老年代使用串行收集器
-XX:+UseParNewGC：在新生代使用並行收集器
-XX:+UseParallelGC ：新生代使用並行回收收集器，更加關注吞吐量
-XX:+UseParallelOldGC：老年代使用並行回收收集器
-XX:ParallelGCThreads：設置用於垃圾回收的線程數
-XX:+UseConcMarkSweepGC：新生代使用並行收集器，老年代使用CMS+串行收集器
-XX:ParallelCMSThreads：設定CMS的線程數量
-XX:+UseG1GC：啓用G1垃圾回收器

java虛擬機中對象的訪問及存放

舉個實例Student stu=new Student();

這份代碼中Student stu是一個引用變量因此存放在java虛擬機棧上，new Student()是一個實例對象存放在java堆上。另外，在Java 堆中還必須包含能查找到此對象類型數據（如對象類型、父類、實現的接口、方法等）的地址信息，這些類型數據則存儲在方法區中。

因爲reference 類型在Java 虛擬機規範裏面只規定了一個指向對象的引用，並無定義這個引用應該經過哪一種方式去定位，以及訪問到Java 堆中的對象的具體位置，所以不一樣虛擬機實現的對象訪問方式會有所不一樣，主流的訪問方式有兩種：使用句柄和直接指針。若是使用句柄訪問方式Java 堆中將會劃分出一塊內存來做爲句柄池，reference中存儲的就是對象的句柄地址，而句柄中包含了對象實例數據和類型數據各自的具體地址信息，以下圖所示。

指針方式

Java 堆對象的佈局中就必須考慮如何放置訪問類型

這兩種對象的訪問方式各有優點，使用句柄訪問方式的最大好處就是reference 中存儲的是穩定的句柄地址，在對象被移動（垃圾收集時移動對象是很是廣泛的行爲）時只會改變句柄中的實例數據指針，而引用對象自己不須要被修改。使用直接指針訪問方式的最大好處就是速度更快，它節省了一次指針定位的時間開銷，因爲對象的訪問在Java 中很是頻繁，所以這類開銷聚沙成塔後也是一項很是可觀的執行成本。

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