垃圾回收概述

Mr.He...

1. 什么是垃圾

三个经典问题：

哪些内存需要回收？
什么时候回收？
如何回收？

垃圾是指在运行程序中没有任何指针指向的对象，这个对象就是需要被回收的垃圾。外文：An object is considered garbage when it can no longer be reached from any pointer in the running program.

如果不及时对内存中的垃圾进行清理，那么，这些垃圾对象所占的内存空间会一直保留到应用程序结束，被保留的空间无法被其他对象使用。甚至可能导致内存溢出。

2. 为什么需要GC

对于高级语言来说，一个基本认知是如果不进行垃圾回收，内存迟早都会被消耗完，因为不断地分配内存空间而不进行回收，就好像不停地生产生活垃圾而从来不打扫

除了释放没用的对象，垃圾回收也可以清除内存里的记录碎片。碎片整理将所占用的堆内存移到堆的一端，以便JVM将整理出的内存分配给新的对象。

随着应用程序所应付的业务越来越庞大、复杂，用户越来越多，没有GC就不能保证应用程序的正常进行。而经常造成STW的GC又跟不上实际的需求，所以才会不断地尝试对GC进行优化。

3. Java 垃圾回收机制

自动内存管理，无需开发人员手动参与内存的分配与回收，这样降低了内存泄漏和内存溢出的风险。自动内存管理机制，将程序员从繁重的内存管理中释放出来，可以更专心地专注于业务开发。

缺点：弱化java开发任意在程序出现内存溢出时定位问题和解决问题的能力。

参考：oracle官网对垃圾回收的描述

4. 大厂面试题

蚂蚁金服： 你知道哪几种垃圾回收器，各自的优缺点，重点讲一下CMS和G1 一面：GC算法有哪些，目前的JDK版本采用什么回收算法一面：GI回收器讲下回收过程 GC是什么？为什么要有GC？一面：GC的两种判定方法？CMS收集器与G1收集器的特点。

百度： 说一下GC算法，分代回收说下垃圾收集策略和算法

天猫： 一面：jvm GC原理，怎么回收内存一面：CMS 特点，垃圾回收算法有哪些？各自的优缺点，他们共同的缺点是什么？

滴滴： 一面．java的垃圾回收器都有哪些，说下gl的应用场景，平时你是如何搭配使用垃圾回收器的。

京东： 你知道哪几种垃圾收集器，各自的优缺点，重点讲下cms和G1，包括原理，流程，优缺点。垃圾回收算法的实现原理：

阿里： 讲一下垃圾回收算法：什么情况下触发垃圾回收？如何选择合适的垃圾收集算法？

字节跳动： 常见的垃圾回收器算法有哪些，各有什么优劣？ System．gc()和runtime.gc()会做什么事情？一面：JavaGC机制？GCRoots有哪些？二面．Java对象的回收方式，回收算法： CMS和G1了解么，CMS解决什么问题，说一下回收的过程。 CMS回收停顿了几次，为什么要停顿两次。

5. 在Java语言中，GC Roots包括哪些元素？

虚拟机栈中引用的对象。比如：各个线程被调用的方法中使用到的参数、局部变量等。
本地方法栈内JNI（通常说的本地方法）引用的对象
方法区中类静态属性引用的对象。比如：Java类的引用类型静态变量
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。
反映java虚拟机内部情况的JMXBean、JVMTI中注册的回调、本地代码缓存等。

6. 常见的垃圾收集算法

标记-清除算法（Mark-Sweep）
复制算法（Copying）
标记-压缩算法（Mark-Compact）

6.1 标记-清除算法（Mark-Sweep）

当堆中的有效内存空间(available memory）被耗尽的时候，就会停止整个程序（也被称为stop the world)，然后进行两项工作，第一项则是标记，第二项则是清除。

标记：收集器从引用根节点开始遍历，标记所有被引用的对象。一般是在对象的Header中记录为可达对象。

清除：收集器对堆内存从头到尾进行线性的遍历，如果发现某个对象在其Header中没有标记为可达对象，则将其回收。

缺点：

效率不高（在进行GC的时候，需要停止整个应用程序，导致用户体验差）
空间碎片（这种方式清理出来的空闲内存是不连续的，产生内存碎片。需要维护一个空闲列表）

注意：何为清除？

这里所谓的清除并不是真的置空，而是把需要清除的对象地址保存在空闲的地址列表里。下次有新对象需要加载时，判断垃圾的位置空间是否够，如果够，就存放。即直接覆盖。

6.2 复制算法（Copying）『用于新生代』

核心思想： 将内存空间分为两块，每次只使用其中一块，在垃圾回收时将正在使用的内存中的存活对象复制到未被使用的内存块中，之后清除正在使用的内存块中的所有对象，交换两个内存的角色，最后完成垃圾回收。

优点：
效率高（没有标记和清除过程，实现简单，运行高效）
没有碎片（复制过去以后保证空间的连续性，不会出现“碎片”问题）
缺点：
需要两倍的内存空间。

对于G1这种分拆成为大量region的GC，复制而不是移动，意味着GC需要维护region之间对象引用关系，不管是内存占用或者时间开销也不小。

特别的： 如果系统中的垃圾对象很多，复制算法不会很理想。因为复制算法需要复制的存活对象数量并不会太大，或者说非常低才行。

应用场景： 在新生代，对常规应用的垃圾回收，一次通常可以回收70%~99%的内存空间。回收性价比很高。所以现在的商业虚拟机都是用这种收集算法回收新生代。

6.3 标记-压缩算法（Mark-Compact）『用于老年代』

背景： 复制算法的高效性是建立在存活对象少、垃圾对象多的前提下的。这种情况在新生代经常发生，但是在老年代，更常见的情况是大部分对象都是存活对象。如果依然使用复制算法，由于存活对象较多，复制的成本也将很高。因此，基于老年代垃圾回收的特性，需要使用其他的算法。标记一清除算法的确可以应用在老年代中，但是该算法不仅执行效率低下，而且在执行完内存回收后还会产生内存碎片，所以JVM的设计者需要在此基础之上进行改进。标记-压缩(Mark-Compact)算法由此诞生。

执行过程： 第一阶段和标记清除算法一样，从根节点开始标记所有被引用对象第二阶段将所有的存活对象压缩到内存的一端，按顺序排放。之后，清理边界外所有的空间。

标记-压缩算法的最终效果等同于标记-清除算法执行完成后，再进行一次内存碎片整理，因此，也可以把它称为标记-清除-压缩(Mark-sweep-Compact)算法。二者的本质差异在于标记-清除算法是一种非移动式的回收算法，标记-压缩是移动式的。是否移动回收后的存活对象是一项优缺点并存的风险决策。可以看到，标记的存活对象将会被整理，按照内存地址依次排列，而未被标记的内存会被清理掉。如此一来，当我们需要给新对象分配内存时，JVM只需要持有一个内存的起始地址即可，这比维护一个空闲列表显然少了许多开销。

优点：
无内存碎片（消除了标记-清除算法当中，内存区域分散的缺点，我们需要给新对象分配内存时，JVM只需要持有一个内存的起始地址即可）
空间使用率高（消除了复制算法当中，内存减半的高额代价）
缺点：
从效率上来说，标记-整理算法要低于复制算法。
移动对象的同时，如果对象被其他对象引用，则还需要调整引用的地址。移动过程中，需要全程暂停用户应用程序。即 STW。

6.4 对比三种算法

	标记清除	标记压缩	复制
速率	中等	最慢	最快
空间开销	少（但会堆积碎片）	少（不堆积碎片）	通常需要活对象的2倍空间（不堆积碎片）
移动对象	否	是	是

我们可以看到，没有最好的算法，只有最合适的算法。

6.5 分代收集算法

前面所有这些算法中，并没有一种算法可以完全替代其他算法，它们都具有自己独特的优势和特点。分代收集算法应运而生。

分代收集算法，是基于这样一个事实：不同的对象的生命周期是不一样的。因此，不同生命周期的对象可以采取不同的收集方式，以便提高回收效率。一般是把 Java 堆分为新生代和老年代，这样就可以根据各个年代的特点使用不同的回收算法，以提高垃圾回收的效率。

在 Java 程序运行的过程中，会产生大量的对象，其中有些对象是与业务信息相关，比如 Http 请求中的 Session对象、线程、Socket 连接，这类对象跟业务直接挂钩，因此生命周期比较长。但是还有一些对象，主要是程序运行过程中生成的临时变量，这些对象生命周期会比较短，比如：String对象，由于其不变类的特性，系统会产生大量的这些对象，有些对象甚至只用一次即可回收。

目前几乎所有的垃圾回收器都采用分代收集算法执行垃圾回收的

在 HotSpot 中，基于分代的概念，GC 所使用的内存回收算法必须结合年轻代和老年代各自的特点。

年轻代（Young Gen）：区域相对老年代较小，对象生命周期短、存活率低，回收频繁。
这种情况复制算法的回收整理，速度是最快的。复制算法的效率只和当前存活对象大小有关，因此很适用于年轻代的回收。而复制算法内存利用率不高的问题，通过 HotSpot 中的两个 Survivor 的设计得到缓解。
老年代（Tenured Gen）：区域较大，对象生命周期长、存活率高，回收不频繁。
这种情况存在大量存活率高的对象，复制算法明显变得不合适。一般是由标记-清除或者是标记-清除与标记-整理的混合实现。
标记（Mark）阶段的开销与存活对象的数量成正比。
清除（Sweep）阶段的开销与所管理区域的大小成正相关。
压缩（Compact）阶段的开销与存活对象的数据成正比。

以 HotSpot 中的 CMS 回收器为例，CMS 是基于 Mark-Sweep 实现的，对于对象的回收效率很高。而对于碎片问题，CMS 采用基于 Mark-Compact 算法的 Serial Old 回收器作为补偿措施：当内存回收不佳（碎片导致的Concurrent Mode Failure 时），将采用 Serial Old 执行 Full GC 以达到对老年代内存的整理。

分代的思想被现有的虚拟机广泛使用。几乎所有的垃圾回收器都区分新生代和老年代

6.6 增量收集算法

概述

上述现有的算法，在垃圾回收过程中，应用软件将处于一种 Stop the World（STW） 的状态。在这种状态下，应用程序所有的线程都会挂起，暂停一切正常的工作，等待垃圾回收的完成。如果垃圾回收时间过长，应用程序会被挂起很久，将严重影响用户体验或者系统的稳定性。为了解决这个问题，即对实时垃圾收集算法的研究直接导致了增量收集（Incremental Collecting）算法的诞生。

基本思想

如果一次性将所有的垃圾进行处理，需要造成系统长时间的停顿，那么就可以让垃圾收集线程和应用程序线程交替执行。每次，垃圾收集线程只收集一小片区域的内存空间，接着切换到应用程序线程。依次反复，直到垃圾收集完成。

总的来说，增量收集算法的基础仍是传统的标记-清除和复制算法。增量收集算法通过对线程间冲突的妥善处理允许垃圾收集线程以分阶段的方式完成标记、清理或复制工作。

缺点

使用这种方式，由于在垃圾回收过程中，间断性地还执行了应用程序代码，所以能减少系统的停顿时间。但是，因为线程切换和上下文转换的消耗，会使得垃圾回收的总体成本上升，造成系统吞吐量的下降。

6.7 分区算法

一般来说，在相同条件下，堆空间越大，一次 GC 时所需要的时间就越长，有关 GC 产生的停顿也越长。为了更好地控制 GC 产生的停顿时间，将一块大的内存区域分割成多个小块，根据目标的停顿时间，每次合理地回收若干个小区间，而不是整个堆空间，从而减少一次 GC 所产生的停顿。

分代算法将按照对象的生命周期长短划分成两个部分，分区算法将整个堆空间划分成连续的不同小区间。每一个小区间都独立使用，独立回收。这种算法的好处是可以控制一次回收多少个小区间。

6.8 写到最后

注意，这些只是基本的算法思路，实际 GC 实现过程要复杂的多，目前还在发展中的前沿 GC 都是复合算法，并且并行和并发兼备。

7. 垃圾收集器

垃圾收集器是垃圾回收算法的具体实现。

Serial 串行收集器

Serial（串行）收集器是最基本、历史最悠久的垃圾收集器了。大家看名字就知道这个收集器是一个单线程收集器了。它的 “单线程” 的意义不仅仅意味着它只会使用一条垃圾收集线程去完成垃圾收集工作，更重要的是它在进行垃圾收集工作的时候必须暂停其他所有的工作线程（ "Stop The World" ），直到它收集结束。

新生代采用标记-复制算法，老年代采用标记-整理算法。

优点：简单高效，没有线程交互的开销。

ParNew 收集器

ParNew 收集器其实就是 Serial 收集器的多线程版本，除了使用多线程进行垃圾收集外，其余行为（控制参数、收集算法、回收策略等等）和 Serial 收集器完全一样。

新生代采用标记-复制算法，老年代采用标记-整理算法。

除了 Serial 收集器外，只有它能与 CMS 收集器（真正意义上的并发收集器，后面会介绍到）配合工作。

Parallel Scavenge 收集器（ JDK1.8 默认的收集器）

Parallel Scavenge 收集器也是使用标记-复制算法的多线程收集器，它看上去几乎和 ParNew 都一样。

区别是：Parallel Scavenge 收集器关注点是吞吐量（高效率的利用 CPU）。CMS 等垃圾收集器的关注点更多的是用户线程的停顿时间（提高用户体验）。所谓吞吐量就是 CPU 中用于运行用户代码的时间与 CPU 总消耗时间的比值。

JDK1.8 默认使用的是 Parallel Scavenge + Parallel Old，如果指定了-XX:+UseParallelGC 参数，则默认指定了-XX:+UseParallelOldGC，可以使用-XX:-UseParallelOldGC 来禁用该功能

Serial Old 收集器

Serial 收集器的老年代版本，它同样是一个单线程收集器。它主要有两大用途：一种用途是在 JDK1.5 以及以前的版本中与 Parallel Scavenge 收集器搭配使用，另一种用途是作为 CMS 收集器的后备方案。

CMS 收集器（并发标记清除，不推荐）

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。它非常符合在注重用户体验的应用上使用。是 HotSpot 虚拟机第一款真正意义上的并发收集器，它第一次实现了让垃圾收集线程与用户线程（基本上）同时工作。

从名字中的Mark Sweep这两个词可以看出，CMS 收集器是一种『标记-清除』算法实现的，它的运作过程相比于前面几种垃圾收集器来说更加复杂一些。整个过程分为四个步骤：

初始标记： 暂停所有的其他线程，并记录下直接与 root 相连的对象，速度很快；
并发标记： 同时开启 GC 和用户线程，用一个闭包结构去记录可达对象。但在这个阶段结束，这个闭包结构并不能保证包含当前所有的可达对象。因为用户线程可能会不断的更新引用域，所以 GC 线程无法保证可达性分析的实时性。所以这个算法里会跟踪记录这些发生引用更新的地方。
重新标记： 重新标记阶段就是为了修正并发标记期间因为用户程序继续运行而导致标记产生变动的那一部分对象的标记记录，这个阶段的停顿时间一般会比初始标记阶段的时间稍长，远远比并发标记阶段时间短
并发清除： 开启用户线程，同时 GC 线程开始对未标记的区域做清扫。

优点：
并发收集、低停顿
缺点：
对 CPU 资源敏感
无法处理浮动垃圾
使用的『标记-清除』算法会导致收集结束时会有大量空间碎片产生。最后还是需要Serial Old来清理碎片
【新增】只针对老年代，和Parallel Scavenge不兼容，只能和ParNew配合使用。

以上缺点，造成的结果就是ParNew + CMS + Serial Old的组合工作起来其实并不稳定。为了得到CMS那一点好处，需要付出很多的代价（包括JVM调参）。所以作为默认GC（jdk1.7, 1.8），采用Parallel Scavenge/Parallel Old这种省心又省力方案完全合理。

在 JEP363中，CMS已被移除。

G1 收集器

G1 (Garbage-First) 是一款面向服务器的垃圾收集器。主要针对配备多颗处理器及大容量内存的机器。以极高概率满足 GC 停顿时间要求的同时,还具备高吞吐量性能特征.

被视为 JDK1.7 中 HotSpot 虚拟机的一个重要进化特征。它具备以下特点：

并行与并发：G1 能充分利用 CPU、多核环境下的硬件优势，使用多个 CPU（CPU 或者 CPU 核心）来缩短 Stop-The-World 停顿时间。部分其他收集器原本需要停顿 Java 线程执行的 GC 动作，G1 收集器仍然可以通过并发的方式让 java 程序继续执行。
分代收集：虽然 G1 可以不需要其他收集器配合就能独立管理整个 GC 堆，但是还是保留了分代的概念。
空间整合：与 CMS 的『标记-清理』算法不同，G1 从整体来看是基于『标记-整理』算法实现的收集器；从局部上来看是基于『标记-复制』算法实现的。
可预测的停顿：这是 G1 相对于 CMS 的另一个大优势，降低停顿时间是 G1 和 CMS 共同的关注点，但 G1 除了追求低停顿外，还能建立可预测的停顿时间模型，能让使用者明确指定在一个长度为 M 毫秒的时间片段内。

G1 收集器的运作大致分为以下几个步骤：

初始标记
并发标记
最终标记
筛选回收

G1 收集器在后台维护了一个优先列表，每次根据允许的收集时间，优先选择回收价值最大的 Region(这也就是它的名字 Garbage-First 的由来) 。这种使用 Region 划分内存空间以及有优先级的区域回收方式，保证了 G1 收集器在有限时间内可以尽可能高的收集效率（把内存化整为零）。

ZGC 收集器

与 CMS 中的 ParNew 和 G1 类似，ZGC 也采用标记-复制算法，不过 ZGC 对该算法做了重大改进。

在 ZGC 中出现 Stop The World 的情况会更少！

JVM默认使用的收集器

jdk1.7 默认垃圾收集器Parallel Scavenge（新生代）+Parallel Old（老年代），吞吐量优先。

jdk1.8 默认垃圾收集器Parallel Scavenge（新生代）+Parallel Old（老年代），吞吐量优先。

jdk1.9 默认垃圾收集器G1

java -XX:+PrintCommandLineFlags -version ：可查看默认设置收集器类型

java -XX:+PrintGCDetails：可通过打印的GC日志的新生代、老年代名称判断。在1.8环境下，这个命令执行后会出现PSYoungGen、ParOldGen字样，表示使用的是默认收集器。

目前来看，G1回收器停顿时间最短而且没有明显缺点，非常适合Web应用。

Shenandoah

待补充。

todo...

收集器之间的搭配关系

新生代（复制算法）	老年代
Serial （串行，速度优先）	Serial Old （串行，标记整理，速度优先）
ParNew（Serial 的多线程版本，串行，速度优先）	CMS（并发，标记清除，可搭配Serial Old，速度优先）
Parallel Scavenge （并行，吞吐量优先）	1. Parallel Old （并行，吞吐量优先） 2. Serial Old（串行）（标记整理）