JVM 垃圾回收

垃圾回收算法

标记-清除

Mark-Sweep，分为两步：首先标记出需要回收的对象；标记完成后，统一回收被标记的对象。实现简单，但两个过程的执行效率都随对象数量增长而降低，并且会造成内存碎片。

标记-复制

Mark-Copy，核心思想是半区复制，即将可用内存按容量划分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块。当一块内存用完，就将还存活的对象复制到另一块上面；然后把已使用的内存块一次性清理掉；最后交换两个内存块的角色。

优点是实现简单，运行速度快，复制保证了空间的连续性，没有内存碎片；但缺点也很明显，将可用内存缩小为原来的一半。适合对象快速迭代，垃圾对象较多的场景，可以减少复制操作。

标记-整理

Mark-Compact，分为两步：首先标记出需要回收的对象；然后让所有存活对象都向内存空间的一端移动，最后直接清理掉边界以外的内存。

优点是不会产生内存碎片，缺点是需要移动大量对象，处理效率比较低，需要 STW。是一种适合老年区的移动式算法。

分代收集

分代收集的理论基于两个假说：

• 弱分代假说：绝大多数对象都是朝生夕灭的
• 强分代假说：熬过越多次垃圾收集过程的对象就越难以消亡

因此，JVM GC的设计原则：收集器应该将Java堆划分出不同的区域，然后将回收对象依据其年龄(熬过垃圾收集过程的次数)分配到不同的区域之中存储：

• 新生代：每次垃圾收集都会有大批对象死去（适合标记-复制算法）
• 老年代：新生代中每次回收后存活的少量对象，将会逐步晋升到老年代（适合标记-清除/整理算法）

针对不同的分代，可以分别进行垃圾回收，例如新生代收集Minor GC，老年代收集Major GC，混合收集 Mixed GC，以及整堆收集 Full GC。

Hotspot 的堆内存结构就是基于分代的设计：

• 新生代划分为一块较大的Eden空间和两块较小的Survivor空间，每次分配只是用Eden和其中一块Survivor
• GC时，将Eden和Survivor中存活对象一次性复制到另一块Survivor，然后清理Eden和原先的Survivor
• 最后交换两个survivor区的角色
• 逃生门设计：当Survivor不足以容纳一次GC的存活对象时，需要依赖其它内存区域(如老年代)进行分配担保

垃圾回收实现

基于上述的垃圾回收算法，结合分代回收的理论，针对不同分代的特点，设计出了不同的垃圾收集器：

• 新生代收集器：Serial、ParNew、Parallel Scavenge
• 老年代收集器：Serial old、Parallel old、CMS
• 整堆收集器：G1
• 新一代收集器：Shenandoah、ZGC

Safe Point：垃圾回收的安全点是指程序执行时，程序能够安全地停止下来进行垃圾回收的位置。在Java虚拟机中，安全点通常是指一组特定的指令位置，在这些位置上，虚拟机能够保证对象引用关系的一致性，即对象引用关系不会发生变化。常见的安全点选择策略包括轮询（Polling）、中断（Interrupt）和内存屏障（Memory Barrier）等。

Serial

Serial 是经典的串行垃圾收集器，主要用于新生代，采用标记-复制算法。垃圾回收时 STW 直到收集结束。

Serial Old 是 Serial 的老年代版本，同样是单线程串行并且会 STW，但采用标记-整理算法。

ParNew

ParNew 是 Serial 的多线程版本，它充分利用多核处理器的优势，通过并行的方式进行垃圾回收，专注于提供更低的垃圾收集停顿时间。主要用于新生代，采用标记-复制算法。另外，除Serial外只有ParNew可以和CMS配合使用。

Parallel

Parallel Scavenge 是一种以吞吐量为主要设计目标的并行垃圾收集器，对于单次垃圾收集造成的暂停时间可能会略高于ParNew收集器，但在整体吞吐量上会更加高效。主要用于新生代，采用标记-复制算法。

$$\text{吞吐量}=\frac{\text{运行用户代码时间}}{\text{运行用户代码时间}+\text{运行垃圾收集时间}}$$

Parallel Old 是 Parallel 的老年代版本，同样是多线程并行，注重吞吐量，但采用标记-整理算法。

ParNew 更适合那些对垃圾收集停顿时间要求较高的应用场景，例如需要与用户交互的程序，良好的响应速度能提升用户体验。 Parallel 更适合那些对整体吞吐量要求较高的场景，尽快完成程序的运算任务，例如后台运算而不需要太多交互

CMS

Concurrent Mark Sweep，是一种以低停顿时间为目标的垃圾收集器，其最大特点是不会 STW，而是通过并发的方式来进行标记和清除，以尽量减少应用程序的停顿时间。主要用于老年代，采用标记-清除算法。

四个步骤：

• 初始标记：标记GC Roots能直接关联的对象。暂停用户线程
• 并发标记：遍历对象图。与用户线程并发
• 重新标记：修正并发标记阶段产生的标记变动(因用户线程的并发执行)。暂停用户线程
• 并发清除：清理标记死亡的对象。与用户线程并发

CMS 的优点是并发收集，低停顿。但也存在缺点：

• 对处理器资源非常敏感
• 无法处理浮动垃圾
• 容易产生大量内存碎片空间

浮动垃圾是指并发清除阶段由于用户线程继续运行而产生的垃圾（产生了新对象），这部分垃圾只能到下一次 GC 时才能进行回收。由于浮动垃圾的存在，CMS 收集需要预留出一部分内存，不能等待老年代快满的时候再回收。如果预留的内存不够存放浮动垃圾，就会出现Concurrent Mode Failure，这时虚拟机将临时启用 Serial Old 来替代 CMS，导致很长的停顿时间。

G1

G1 是一种面向服务端应用的垃圾收集器，它的设计目标是在尽量短的停顿时间内达到尽可能高的吞吐量。G1 采用分代收集和区域化的思想，将整个堆空间划分为多个小块（Region），并根据各个区域的垃圾回收效率来动态调整回收策略，从而实现更加均衡和可控的垃圾回收。G1 同时应用于新生代和老年代，采用标记-整理算法，JDK9 以后已经默认使用 G1。

Region：

• 连续的Java堆划分为多个大小相等的独立Region，每个Region根据需要扮演Eden/Survivor/老年代
• Humongous区域专门存储大对象
• G1 跟踪各个Region里面的垃圾堆积的价值大小（价值即回收所获得的空间大小以及回收所需时间的经验值，后台维护一个优先级列表）

四个步骤：

• 初始标记：标记GC Roots能直接关联的对象，并修改TAMS指针以便正确分配对象。暂停用户线程。
• 并发标记：遍历对象图。与用户线程并发。(用SATB原始快照处理引用变化)
• 最终标记：处理并发阶段结束后遗留的少量SATB记录。暂停用户线程。
• 筛选回收：更新Region的统计数据，根据优先级选择Region回收集，移动存活对象并清理旧Region的全部空间。暂停用户线程。

Shenandoah

Shenandoah 是一种由Red Hat开发的低延迟垃圾收集器，旨在降低Java应用程序的停顿时间。它是一种全新的垃圾收集器，旨在解决在大内存堆上的垃圾收集延迟问题。Shenandoah的设计目标是在提供低延迟的同时，保持高吞吐量。特点是支持并发，默认不使用分代收集，改用Connection Matrix全局数据结构来记录跨Region的引用关系

九个步骤：

• 初始标记：标记GC Roots能直接关联的对象。暂停用户线程
• 并发标记：遍历对象图。与用户线程并发(时间取决于堆中存活对象的数量和对象图的复杂程度)
• 最终标记：处理剩余的SATB扫描，并统计回收价值最高的Region构成回收集。短暂停顿
• 并发清理：清理没有存活对象的Region
• 并发回收：核心特点。借助读屏障、Brooks Pointers把回收集里的存活对象复制到未被使用的Region
• 初始引用更新：把堆中所有指向旧对象的引用修正到复制后的新地址(引用更新)。短暂停顿
• 并发引用更新：真正开始引用更新。与用户线程并发。时间取决于涉及的引用数量
• 最终引用更新：修正存在于GC Roots中的引用。短暂停顿
• 并发清理：回收剩余的回收集中的Region，供以后对象分配使用

ZGC

Z Garbage Collector，由Oracle开发的一种低延迟的垃圾收集器，旨在降低Java应用程序的停顿时间。它是一种全新的垃圾收集器，于JDK 11中首次发布。ZGC 基于Region内存布局，分大、中、小三类容量，不设分代，使用读屏障、染色指针、内存多重映射等技术。ZGC 可并发，采用标记-整理算法。

四个过程：

• 并发标记：遍历对象图做可达性分析，特殊点在于标记是在指针上而不是在对象上。需短暂停顿
• 并发预备重分配：根据特定查询条件确定回收集
• 并发重分配：核心。把重分配集中的存活对象复制到新的Region上，并为重分配集中的每个Region维护一个转发表，记录从旧对象到新对象的转向关系(用于指针自愈)
• 并发重映射：修正整个堆中指向重分配集中旧对象的所有引用