JAVA垃圾回收-GC基础原理

一. GC基础原理

1. 怎样找到需要回收的垃圾？

我们都知道有两种算法：即 引用计数算法 和 可达性分析算法。

• 引用计数法:

在对象中添加一个引用计数器，每当一个地方引用它时，计数器就加一；当引用失效时，计数器值就减一；任何时刻计数器为零的对象就是不可能再被使用的。

存在的问题：不能解决循环引用

• 可达性分析算法:

就是通过一系列的“GC Roots”，也就是根对象作为起始节点集合，从根节点开始，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，如果某个对象到GC Roots间没有任何引用链相连。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。所以此对象就是可以被回收的对象。

• GC Root主要包括以下几类元素：
• 虚拟机栈中引用的对象
• Class 里面的static变量
• JNI本地方法
• 方法区中常量引用的对象（比如：字符串常量池（string Table） 里的引用）
• 所有被同步锁synchronized持有的对象
• Java虚拟机内部的引用

基本数据类型对应的Class对象，一些常驻的异常对象（如：NullPointerException、OutOfMemoryError） ，系统类加载器

2. 怎样清除垃圾？

3. GC分代收集

随着时间的推移，经历垃圾回收后存活下的数据大小情况。可以看出大部分对象存活期很短，随着时间的推移越来越少的对象存活下来。因此，可以针对不同的堆内存采取不同的回收频率和方法，以提高JVM性能。

• 新生代（Young Generation）

新生代又叫年轻代，大多数对象在新生代中被创建，很多对象的生命周期很短。每次新生代的垃圾回收（又称Young GC、Minor GC、YGC）后只有少量对象存活，所以使用复制算法，只需少量的复制操作成本就可以完成回收

新生代内又分三个区：一个Eden区，两个Survivor区(S0、S1，又称From Survivor、To Survivor)，大部分对象在Eden区中生成。当Eden区满时，还存活的对象将被复制到两个Survivor区（中的一个）。当这个Survivor区满时，此区的存活且不满足晋升到老年代条件的对象将被复制到另外一个Survivor区。对象每经历一次复制，年龄加1，达到晋升年龄阈值后，转移到老年代

• 老年代（Old Generation）

在新生代中经历了N次垃圾回收后仍然存活的对象，就会被放到老年代，该区域中对象存活率高。老年代的垃圾回收通常使用“标记-整理”算法

4. 内存分配策略

Java提供的自动内存管理，可以归结为解决了对象的内存分配和回收的问题，前面已经介绍了内存回收，下面介绍几条最普遍的内存分配策略

• 对象优先在Eden区分配 大多数情况下，对象在先新生代Eden区中分配。当Eden区没有足够空间进行分配时，虚拟机将发起一次Young GC
• 大对象直接进入老年代 JVM提供了一个对象大小阈值参数(-XX:PretenureSizeThreshold，默认值为0，代表不管多大都是先在Eden中分配内存)，大于参数设置的阈值值的对象直接在老年代分配，这样可以避免对象在Eden及两个Survivor直接发生大内存复制
• 长期存活的对象将进入老年代 对象每经历一次垃圾回收，且没被回收掉，它的年龄就增加1，大于年龄阈值参数(-XX:MaxTenuringThreshold，默认15)的对象，将晋升到老年代中
• 空间分配担保 当进行Young GC之前，JVM需要预估：老年代是否能够容纳Young GC后新生代晋升到老年代的存活对象，以确定是否需要提前触发GC回收老年代空间，基于空间分配担保策略来计算：

Young GC之后如果成功(Young GC后晋升对象能放入老年代)，则代表担保成功，不用再进行Full GC，提高性能；如果失败，则会出现“promotion failed”错误，代表担保失败，需要进行Full GC

• 动态年龄判定 新生代对象的年龄可能没达到阈值(MaxTenuringThreshold参数指定)就晋升老年代，如果Young GC之后，新生代存活对象达到相同年龄所有对象大小的总和大于任一Survivor空间(S0 或 S1总空间)的一半，此时S0或者S1区即将容纳不了存活的新生代对象，年龄大于或等于该年龄的对象就可以直接进入老年代，无须等到MaxTenuringThreshold中要求的年龄

另外，如果Young GC后S0或S1区不足以容纳：未达到晋升老年代条件的新生代存活对象，会导致这些存活对象直接进入老年代，需要尽量避免

二. 垃圾收集器的进化史

1. 古典时代的垃圾回收算法：

• Serial

  • 年轻代 Serial
  • 老年代 Serial Old

• Parallel

  • 年轻代 Parallel Scavenge
  • 老年代 Parallel Old

2. 中古时代的垃圾回收算法：

• CMS: Concurrent Mark Sweep

  • 低延时的系统
  • 不进行Compact
  • 用于老年代
  • 配合Serial/ParNew使用

3. 现代垃圾回收算法：

• G1：Garbage first

4. 未来时代的垃圾回收算法：

• ZGC
• Shonandoah