Java学习笔记（8）JVM垃圾回收

垃圾标记

是垃圾回收的第一阶段，也是垃圾回收算法中关键的一步。它的主要目的是通过遍历内存中存活的对象，来标记哪些对象仍是可达的（即活跃的），哪些对象是不可达的（既可以被垃圾回收）。

标记的结果，将作为下一步（清理，压缩）的依据，确定哪些对象需要被释放或者移动

垃圾回收策略

1. 引用计数法

原理：

• 每个对象维护一个 引用计数器，用于记录该对象被引用的次数。
• 当对象被创建或被引用时，计数器增加。
• 当引用被移除或销毁时，计数器减少。
• 如果计数器为零，说明该对象不可达，可以被回收。

实现流程：

• 初始化时，计数器设为 0。
• 每当有新的引用指向该对象时，计数器 +1。
• 每当引用消失时，计数器 -1。
• 如果计数器为 0，该对象会被立即回收。

缺点：

• 循环引用问题：

  • 如果两个或多个对象相互引用，但没有其他外部对象引用它们，则它们的计数器始终大于零，导致无法被回收。
  • 例如：

class Node {
    Node next;
}
Node a = new Node();
Node b = new Node();
a.next = b;
b.next = a;

• 维护开销大：

  • 每次引用变化都需要更新计数器，可能会影响性能。

2. 根搜索法

原理：

• 从一组称为 GC Roots 的根对象开始，通过引用关系遍历对象图。
• 如果某个对象可以通过 GC Roots 找到，则认为它是可达的；否则认为它是不可达的，可以被回收。

实现流程：

• 从 GC Roots 出发，标记所有可以访问到的对象。
• 遍历整个堆，将未被标记的对象视为垃圾，进行回收。

优点：

• 无循环引用问题：

  • 可达性分析仅关注对象是否能从根集合到达，不会因循环引用无法回收。

• 适用于复杂的引用关系：

  • 能处理对象图中存在大量交叉引用的复杂场景。

• 分代垃圾回收的基础：

  • 新生代、老年代的分代策略都基于此方法。

缺点：

• 暂停应用线程：

  • 传统的垃圾收集器需要暂停所有应用线程（Stop-the-World），执行可达性分析，可能导致停顿时间较长。

• 实现复杂：

  • 需要额外的辅助数据结构和更复杂的遍历逻辑。

分代回收策略

1. 新生代 GC（Minor GC）

• 触发条件：

  • 新生代的 Eden 区满时触发。

• 回收策略：

  • 采用 复制算法：
  • 将 Eden 区和一个 Survivor 区中的存活对象复制到另一个 Survivor 区或老年代。
  • 减少内存碎片问题，适合对象存活时间短的特点。

• 特点：

  • 回收速度快，代价低。

2. 老年代 GC（Major GC / Full GC）

• 触发条件：

  • 老年代内存不足时触发。

• 回收策略：

  • 通常采用 标记-清除算法 或 标记-整理算法：

    • 标记-清除算法：标记存活对象，清除无用对象，但可能会产生碎片。
    • 标记-整理算法：在标记存活对象后，将存活对象移动到一侧，整理内存，避免碎片。

  • 特点：

    • 回收速度较慢，代价高，可能会导致应用长时间停顿。

垃圾回收器

1. Serial GC

• 特点：

  • 单线程工作
  • 适用于单核环境和小堆内存（100MB）
  • 新生代使用复制算法，老年代使用标记-整理算法

• 优点：

  • 实现简单，适合小型应用

• 缺点

  • 垃圾回收期间会停止所有应用线程（STW），延迟较高

• 适用环境

  • 单线程，内存较小的应用

2. Parallel GC

• 特点：

  • 多线程执行垃圾回收，提升回收速度
  • 注意吞吐量（应用运行时间与垃圾回收时间的比值）
  • 新生代使用复制算法，老年代使用标记-整理算法

• 优点：

  • 吞吐量高，适合多核CPU

• 缺点：

  • STW时间比较长，不适合低延迟的场景

• 使用场景：

  • 后台计算型任务，大批量数据处理应用

3. CMS GC（Concurrent Mark-Sweep）

• 特点

  • 专注于低延迟，适合对响应时间要求高的应用
  • 老年代使用标记-清理算法，新生代使用复制算法

  • 老年代回收分为以下阶段

    • 初始阶段：标记GC Roots可达的对象（短暂暂停）
    • 并发标记：多线程遍历对象图
    • 重新标记：修正并发标记阶段的变动对象（短暂暂停
    • 并发清楚：清楚不可达对象

• 优点

  • 停顿时间短，适合交互型应用。

• 缺点

  • 容易产生内存碎片
  • 并发清理阶段可能导致系统吞吐量下降

• 使用场景

  • 低延迟、高响应的应用，如Web服务器

4. G1 GC（Garbage First）

• 特点：

  • 通过将堆划分为多个区域，以区域为单位回收
  • 同时支持新生代和老年代的回收（混合回收）
  • 停顿可控：允许用户设置最大停顿时间目标

• 回收过程

  • 初始标记：标记 GC Roots 直接可达的对象。
  • 并发标记：遍历堆中的对象图，标记存活对象。
  • 筛选回收：按回收收益优先级回收部分区域。
  • 清理：整理内存，释放区域。

• 优点：

  • 减少老年代碎片。
  • 可控的停顿时间。

• 缺点：

  • 相比 CMS，初期调优难度较高。

• 使用场景：

  • 大堆内存、多核 CPU 的低延迟场景。

5. ZGC（Z Garbage Collector）

• 特点：

  • 超低延迟垃圾回收器，目标是将停顿时间控制在10ms以下
  • 使用染色指针标记对象状态

  • 回收过程

    • 并发标记：找到存活对象
    • 并发转移：将存活对象复制到新区域
    • 并发清除：清除垃圾对象
  • 支持非常大的堆内存（TB 级别）

• 优点：

  • 停顿时间极低，适合实时性要求高的场景

• 缺点：

  • 初期内存占用比较高
  • 仅支持64位系统

• 使用场景：

  • 超低延迟需求的应用，如金融交易系统

6. Shenandoah GC

• 特点：

  • 和ZGC类似，目标是低延迟，减少STW时间
  • 通过并发整理老年代对象，避免碎片化

• 优点：

  • 和 G1 相比，停顿时间更短

• 缺点：

  • 内存开销高

• 使用场景：

  • 延迟敏感的服务端应用

垃圾标记的过程

1. 从根集合（GC Roots）出发：
2. 垃圾标记阶段以一组成为GC Roots的引用集合为起点。

3. 常见的GC Roots包括：

   • Java栈中的局部变量
   • 方法区的静态变量和常量
   • 本地方法栈中的JNI引用

• 通过引用关系遍历对象图：

  • 以GC Roots为起点，通过深度优先或者广度优先的方式遍历所有可达的对象。
  • 遍历到的对象会被标记为“存活”状态

• 标记不可达对象：

  • 未被访问到的对象会被认为是垃圾，标记为“不可达”

垃圾标记的方式

垃圾标记的具体实现方式可能因垃圾回收算法不同而异。常见的标记方式有：

1. 标记-清除算法（Mark-Sweep）

   • 标记阶段：从GC Roots出发，遍历并标记所有存活的对象
   • 清除阶段：扫描堆内存，清理未被标记的对象

   • 缺点：

     • 标记和清理后会产生很多的碎片

2. 标记-复制算法（Mark-Copy）

   • 将可达对象复制到新的区域，未被复制的对象被认为是垃圾

   • 优点：

     • 避免内存碎片，但需要额外的内存空间

3. 标记-整理算法（Mark-Compact）

   • 标记阶段：标记所有存活的对象
   • 整理阶段：将存活的对象压到堆的一端，清理无用对象，释放空间

   • 优点：

     • 解决了内存碎片的问题

4. 三色标记法（多线程GC的经典方式）

   • 白色：尚未访问的对象（默认状态，潜在垃圾）
   • 灰色：已访问但未处理完引用的对象
   • 黑色：已访问且其引用已处理完的对象
   • 标记完成后，白色对象即为垃圾，可以被回收

GC Roots的作用

• GC Roots是垃圾标记的起点，决定了哪些对象是根可达的

• 可通过以下途径访问到的对象会被视为存活：

  • 栈中的局部变量
  • 静态属性引用的对象
  • 常量引用的对象
  • JNI（本地方法接口）中引用的对象

标记技术的优化

现代 GC 使用了多种技术优化垃圾标记的性能：

1. 增量标记

   • 讲标记过程拆分成多个小步骤，减少GC的事件

2. 并发标记

   • 标记阶段与应用线程一同进行，进一步降低停顿时间（G1和ZGC）

3. 分代标记

   • 对象分代后，新生代和老年代按照不同的标记策略，提升性能

加餐知识 三色标记法

是垃圾回收（GC）中的一种对象标记算法，常用于并发垃圾收集器（如 G1、ZGC）中。它通过将对象分为三种颜色（白色、灰色和黑色）来表示其标记状态，能够有效地支持并发标记和增量标记，从而减少 GC 暂停时间。

三色标记法的基本概念

1. 白色（White）

   • 未被标记到的对象
   • 在标记阶段开始时，所有对象都是白色
   • 最终未被标记为其他颜色的白色对象会被回收

2. 灰色（Gray）

   • 已经被访问，但其引用的子对象是尚未被完全处理的对象
   • 灰色对象表示“正在处理”的状态，需要继续递归处理其引用

3. 黑色（Black）

   • 已经被访问，且其引用的子对象全部被处理完毕的对象
   • 黑色对象表示“完全标记完成”，不会再重新扫描

三色标记的过程

1. 初始化阶段：

   • 所有对象默认为白色
   • 将从GC Roots可达的对象放入灰色集合，表示需要处理

2. 标记阶段

   • 从灰色集合中取出一个对象，将其标记为黑色

   • 遍历该对象的所有引用：

     • 如果引用的对象是白色，将其标记为灰色，表示需要处理
     • 如果引用的对象是灰色和黑色，则无需操作
   • 重复该过程，直到灰色集合为空

3. 清理阶段

   • 任何仍然是白色的对象都不可达，标记为垃圾，可以被回收。

三色核心原则

1. 三色不变性

   • 在标记过程中，三种颜色的对象之间关系遵循不变量：

     • 黑色对象不能引用白色对象。
     • 如果一个灰色对象引用了白色对象，那么该白色对象最终会被处理。

2. 强三色不变性

   • 黑色对象不能直接或间接引用白色对象。
   • 确保所有白色对象都无法通过黑色对象再次可达。

3. 弱三色不变性

   • 黑色对象可以直接引用白色对象，但灰色对象必须先处理所有引用。
   • 更适合并发场景，因为更宽松的约束允许应用线程和标记线程同时运行。

并发标记中的问题

在并发场景下，应用线程和垃圾收集器同时运行可能导致 漏标记问题（对象被误认为不可达），需要特殊处理。

问题：漂白问题（对象被错误回收）

• 如果应用线程在标记阶段将某个黑色对象的引用指向一个白色对象，那么该白色对象可能会跳过标记，最终被错误回收。

解决方案：写屏障

为了避免上述问题，引入写屏障机制。写屏障通过拦截对象引用的修改操作，确保引用关系的改变不会破坏三色不变性。

两种写屏障策略：

1. 增灰策略：

   • 当应用线程将一个白色对象引用赋值给黑色对象时，将该白色对象重新标记为灰色。
   • 确保其能被继续处理。

2. 增黑策略：

   • 禁止应用线程直接修改黑色对象，使其引用白色对象，直到标记完成。
   • 这种方式简单但可能降低并发效率。

三色标记法的优缺点

优点：

1. 支持并发标记：

   • 标记线程和应用线程可以同时运行，减少停顿时间。

2. 适合增量标记：

   • 标记过程可以分为多个小步骤执行，避免长时间的暂停。

3. 理论清晰：

   • 基于可达性分析和三色不变性，逻辑明确，易于扩展。

缺点：

1. 需要写屏障：

   • 为了维护三色不变性，需要引入写屏障，增加了实现复杂度。

2. 可能产生额外的开销：

   • 写屏障和增灰策略会带来额外的 CPU 负载。