死磕P7：JVM垃圾回收（二）

这是「死磕P7」系列第 004 篇文章，欢迎大家来跟我一起 死磕 100 天，争取在 2025 年来临之际，给自己一个交代。

上一篇给大家介绍了 JVM 为了垃圾回收的方便将堆空间划分为了 年轻代 和 老年代，并且给年轻代又划分为 Eden，S0, S1 三个区域，那到底什么是垃圾，如何确认对象是否还需要继续留存呢？

本节课就来学习一下垃圾回收的考点之一：什么是垃圾？

在 JVM 语境下，“垃圾”指的是死亡的对象所占据的空间

所谓“垃圾收集”，就是将已分配出去、但不再使用的内存回收回来，以便能再次分配

对象是否死亡？

如何判断一个对象是否死亡（即不可能再被任何途径使用）？通常有以下两种方法：

引用计数法
可达性分析法

引用计数法

为每个对象添加一个引用计数器，用来统计指向该对象的引用个数。当有地方引用它时，计数器加一；引用失效时减一。当某个对象的引用计数为零时，说明该对象已死亡，便可以被回收了。

优点：原理简单，判定效率高。
缺点：无法解决循环依赖的问题（对象之间相互循环引用）。

可达性分析法

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），若某个对象到 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 可理解为「堆外指向堆内的引用」。在 Java 技术体系中，固定可作为 GC Roots 的对象包括以下几种（看 2 遍就好了）：

虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象
类静态属性引用的对象（比如引用类型的静态变量）
常量引用的对象（比如字符串常量池的引用）
本地方法栈中 Native 方法引用的对象
JVM 内部的引用（例如：基本数据类型的 Class 对象、常驻异常、系统类加载器）
同步锁（synchronized 关键字）持有的对象
反应 JVM 内部情况的 JMXBean、JVMTI 中注册的回调、本地代码缓存等

上面提到了引用，那什么是引用呢，Java 中都有哪些引用呢？

引用的分类

无论是引用计数法还是可达性分析法，二者都离不开「引用」，Java 中定义了 4 种引用类型

强引用
软引用
弱引用
虚引用

简单记一下就好了~

强引用（Strongly Reference）

例如：Object obj = new Object()

特点：无论任何情况，只要强引用存在，垃圾收集器永不回收被引用的对象

软引用（Soft Reference）

场景：用于一些还有用、但非必须的对象

时机：被软引用关联的对象，在系统将发生 OOM 前，回收这些内存

实现：java.lang.ref.SoftReference

弱引用（Weak Reference）

场景：非必须对象，比软引用更弱

时机：被弱引用关联的对象只能生存到下一次垃圾收集发生（无论内存是否充足都会回收）

实现：java.lang.ref.WeakReference

虚引用（Phantom Reference）

又称“幽灵引用”或“幻影引用”

特点：最弱的引用，是否存在完全不会影响其生存时间，无法通过它获取对象实例

唯一目的：该对象被回收时收到一个系统通知

实现：java.lang.ref.PhantomReference

垃圾回收算法

提到算法，是不是很神秘？没事，有些算法还是比较容易的，比如：把大象放进冰箱需要几步？

垃圾回收算法主要有 4 种：标记复制、标记清除、标记整理、分代收集

标记复制

把内存空间划为两个相等的区域，每次只使用其中一个区域。

优点：实现简单，内存效率高，不易产生碎片

缺点：内存压缩了一半，倘若存活对象多，效率会大大降低

一般不需要按照 1:1 的比例划分内存空间，而是将内存分为一块较大的 Eden 空间和两块较小的 Survivor 空间，每次使用 Eden 和其中一块 Survivor。

当回收时，将 Eden 和 Survivor 中还存活的对象一次性地复制到另外一块 Survivor 空间上，最后清理掉 Eden 和刚才用过的 Survivor 空间。

HotSpot 虚拟机默认 Eden 和 Survivor 的大小比例是 8:1 (即“浪费”了 10% 的新生代空间)。

由于无法保证每次回收都只有不多于 10% 的对象存活，当 Survivor 空间不够用时，需要依赖老年代进行分配担保，也就是直接进入老年代（相当于“兜底方案”）。

现在大多数虚拟机对新生代的垃圾回收都采用的这种算法，并且其他算法也是在这个算法的基础上进行改进优化。

标记清除

标记出所有需要回收的对象，在标记完成后统⼀回收所有被标记的对象

优点：实现简单

缺点：效率低，标记清除后会产⽣⼤量不连续的碎⽚

标记整理

复制算法在对象存活率较高时就要进行较多的复制操作，效率将会降低。

标记-整理（Mark-Compact）算法：标记过程与“标记-清除”算法一样，但后续步骤不是直接对可回收对象进行清理，而是让所有存活的对象都向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存。

标记-清除算法与标记-整理算法区别：前者是一种非移动式的回收算法，后者是移动式的。

首先标记出哪些对象可被回收，在标记完成后，将对象向一端移动，然后直接清理掉边界以外的内存。

优点：解决了产生大量不连续碎片问题

分代收集

根据各个年代的特点选择合适的垃圾收集算法。

新生代中因为对象都是”朝生夕死的”，90% 以上的对象存活率很低，适用于复制算法，复制算法比较适合用于存活率低的内存区域。

它效率高且无碎片问题，无非就是占点内存而已，空间换时间。

每次新生代的垃圾回收（又称Minor GC）后只有少量对象存活，所以选用复制算法，只需要少量的复制成本就可以完成回收。

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（又称Major GC）通常使用「标记-清理」或「标记-整理」算法（跟 JDK 版本还有指定配置有关）。

回收算法只是概念，理论层面的，具体实现上就对应着垃圾收集器了，下面介绍一下垃圾收集器。

垃圾收集器

衡量垃圾收集器优劣的指标主要有三个：

内存占用（Footprint）
吞吐量（Throughput）
延迟（Latency）

此三者构成了一个「三元悖论」难以同时满足。

收集算法只是内存回收的方法论，而垃圾收集器才是内存回收的具体实现（可理解为“接口”与“实现类”的关系）。

下面这个图，刚开始可能看不明白，MinorGC 对应年轻代可用的垃圾收集器，MajorGC 对应老年代可用的垃圾收集器，中间的 -XX 参数表示指定使用哪两组收集器来完成 MinorGC, MajorGC, 下图中总共有 5 组可用的组合（当然还有未画的，做个了解即可）。

下面来具体看一下上面提到的垃圾收集器是什么吧！

Serial/Serial Old

单线程收集器，历史最悠久的垃圾收集器，工作时必须暂停所有用户线程（STW, Stop The World）。

Serial收集器采用「标记-复制」主要针对新生代的收集。

Serial Old收集器采用「标记-整理」算法主要针对老年代的收集器。

实现简单高效，但会停顿。

Serial 配合 Serial Old 示意图：

ParNew

ParNew 收集器实质上是 Serial 收集器的多线程并行版本，同样作用于 MinorGC。

ParNew 配合 Serial Old 示意图：

Parallel Scavenge/Parallel Old

Parallel 是新生代收集器，同样采用「标记-复制」算法，并行收集的多线程收集器，也称“吞吐量优先收集器”。

能更高效地利用 CPU 资源，尽快完成计算任务（主要适合在后台运算而不需要太多交互的任务）。

Parallel Old采用「标记-整理」算法主要针对老年代的收集器。

Parallel 配合 Parallel Old 示意图：

在注重吞吐量或者处理器资源较为稀缺的场合，都可以考虑 Parallel Scavenge + Parallel Old 收集器的组合。

CMS

CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是一种以「获取最短回收停顿时间」为目标的收集器。

它基于「标记-清除」算法实现，运作过程分为四步：

初步标记（CMS initial mark）：只标记 GC Roots 能直接关联到的对象，速度很快；
并发标记（CMS concurrent mark）：从 GC Roots 遍历整个对象图，耗时较长，但无需停顿用户线程（可与用户线程并发执行）；
重新标记（CMS remark）：修正并发标记期间，因用户线程导致标记产生变动的标记记录；
并发清除（CMS concurrent sweep）：清理删除标记阶段判断的已经死亡的对象，可与用户线程并发执行。

目前很大一部分 Java 应用集中在互联网网站或者 B/S 系统的服务上，这类应用尤其重视服务的响应速度，希望系统停顿时间最短，以给用户带来较好的体验，CMS 收集器非常符合这类应用的需求。

CMS 收集器示意图：

Garbage First(G1)

G1 收集器是收集器技术发展最前沿的成果，面向服务端应用的收集器，能充分利用多CPU、多核环境。

相比与 CMS 收集器，G1 收集器两个最突出的改进是：

基于「标记-整理」算法，不产生内存碎片。
可以非常精确控制停顿时间，在不牺牲吞吐量前提下，实现低停顿垃圾回收。

G1 收集器避免全区域垃圾收集，它把堆内存划分为大小固定的几个独立区域，并且跟踪这些区域的垃圾收集进度，同时在后台维护一个优先级列表，每次根据所允许的收集时间，优先回收垃圾最多的区域。

G1 收集器的定位是「CMS 收集器的替代者和继承人」，这里只做简单描述：

JDK 7 Update 40 时，Oracle 认为它达到了足够成熟的商用程度；
JDK 8 Update 40 时，G1 收集器提供了并发的类卸载支持，被 Oracle 称为“全功能的垃圾收集器（Fully-Featured Garbage Collector）”。

此外，还有一些更为先进的低延迟收集器，比如 OracleJDK 11 加入的 ZGC，RedHat 公司的 Shenandoah 收集器，知道一点即可。

总结

本文又是一片硬骨头，放松心态，当个小说读两遍，能记多少记多少吧！

回顾一下本篇内容就是，了解了对象是否存活的 2 种策略：引用计数法和可达性分析法，了解了 Java 的 4 类引用分类：强软弱虚，知道了垃圾回收的常见算法：标记-复制，标记-清除，标记-整理，并根据图示能理解其大概行为，最后介绍了常见的垃圾收集器：Serial, ParNew, Parallel, CMS, G1, ZGC, 知道其大概优缺点即可。