垃圾回收的常见算法

垃圾回收的常见算法

• 2.1 引用计数法
• 2.1.1 原理
• 2.1.2 优缺点
• 2.2 标记清除法
• 2.2.1 原理
• 2.2.2 优缺点
• 2.3 标记压缩算法
• 2.3.1 原理
• 2.3.2 优缺点
• 2.4 复制算法
• 2.4.1 JVM中年轻代内存空间
• 2.4.2 优缺点
• 2.5 分代算法
• 3 垃圾收集器以及内存分配
• 3.1 串行垃圾收集器
• 3.1.1 编写测试代码
• 3.1.2 设置垃圾回收为串行收集器
• 3.2 并行垃圾收集器
• 3.2.1 ParNew垃圾收集器
• 3.2.2 ParallelGC垃圾收集器
• 3.3 CMS垃圾收集器
• 3.3.1 测试
• 3.4 G1垃圾收集器（重点）
• 3.4.1 原理
• 3.4.2 Young GC
• 3.4.2.1 Remembered Set（已记忆集合）
• 3.4.3 Mixed GC
• 3.4.3.1 全局并发标记
• 3.4.3.2 拷贝存活对象
• 3.4.4 G1收集器相关参数
• 3.4.5 测试
• 3.4.6 对于G1垃圾收集器优化建议
• 4 可视化GC日志分析工具
• 4.1 GC日志输出参数
• 4.2 GC Easy可视化工具

自动化的管理内存资源，垃圾回收机制必须要有一套算法来进行计算，那些是有效的对象，那些是无效的对象，对于无效的对象

就要进行回收处理。

常见的垃圾回收算法有 ：引用计数法、标记清除法、标记压缩法、复制算法、分代算法等。

2.1 引用计数法

引用计数是历史最悠久的一种算法，最早George E. Collins在1960的首次提出，50年后的今天，该算法依然被很多编程语言使用。

2.1.1 原理

假设有一个对象A，任何一个对象对A的引用，那么对象A的引用计数器+1，当引用失败时，对象A的引用计数器就-1，如果对象A的计算器的值
为0，就说明对象A没有引用了，可以被回收。如图所示

2.1.2 优缺点

优点 ：
	1、实时性较高，无需等到内存不够的时候，才开始回收，运行时根据对象的计数器是否为0，就可以直接回收。
	2、在垃圾回收过程中，应用无需挂起。如果申请内存时，内存不足，则立刻报outofmember错误。
	3、区域性，更新对象的计数器时，只是影响到该对象，不会扫描全部对象。
缺点 ：
	1、每次对象呗引用时，都需要去更新计数器，有一点时间开销。
	2、浪费CPU资源，即使内存够用，任然在运行时进行计数器的统计。
	3、无法解决循环引用问题。（最大的缺点）	

虽然a和b都为null，但是由于a和b存在循环引用，这样a和b永远都不回被回收。

2.2 标记清除法

标记清除算法，是将垃圾回收分为2个阶段，分别是标记和清除。
	标记 ：从根节点开始标记引用的对象。
	清除 ：未被标记引用的对象就是垃圾对象，可以被清理。

2.2.1 原理

这张图代表的是程序运行期间所有对象的状态，它们的标志位全部是0（也就是未标记，以下默认0就是未标记，1为已标记），
假设这会儿有效内存空间耗尽了，JVM将会停止应用程序的运行并开启GC线程，然后开始进行标记工作，按照根搜索算法，标记完以后，对象的状态如下图。

可以看到，按照根搜索算法，所有从root对象可达的对象就被标记为存活的对象，此时已经完成了第一阶段标记。接下来，就要
执行第二阶段清除了，那么清除完以后，剩下的对象以及对象的状态如下图所示。

可以看到，没有被标记的对象将会回收清除掉，而被标记的对象将会留下，并且会将标记重新归0.接下来就不用说了，唤醒停止
的程序线程，让程序继续运行即可。

2.2.2 优缺点

可以看到，标记清除算法解决了引用计数算法中的循环引用的问题，没有从root节点引用的对象都会被回收。同样，标记清除算法也是有缺点的 ：
1、效率较低，标记和清除两个动作都需要遍历所有的对象，并且在GC时，需要停止应用程序，对于交互性要求比较高的应用
而言这个体验是非常差的。
2、通过标记清除算法清理出来的内容，碎片化较为严重，因为被回收的对象可能存在于内存的各个角落，所以清理出来的内存是不连贯的。

2.3 标记压缩算法

标记压缩算法是在标记清除算法的基础之上，做了优化改进的算法。和标记清除算法一样，也是从根节点开始，对对象的引用进行标记，在清理阶段，并不是简单的清理未标记的对象，而是将存活的对象压缩到内存的一端，然后清理边界以外的垃圾，从而解决了碎片化的问题。

2.3.1 原理

2.3.2 优缺点

优缺点同标记清除算法，解决了标记清除算法的碎片化的问题，同时，标记压缩算法多了一步，对象移动内存位置的步骤，其效率也有一定的影响。

2.4 复制算法

复制算法的核心就是，将原有的内存空间一分为二，每次只用其中的一块，在垃圾回收时，将正在使用的对象复制到另一个内存空间中，然后将该内存空间清空，交换两个内存的角色，完成垃圾的回收。
如果内存中的垃圾对象较多，需要复制的对象就较少，这种情况下适合使用该方式并且效率比较高，反之，则不适合。

2.4.1 JVM中年轻代内存空间

1、在GC开始的时候，对象只会存在于Eden区和名为“From”的Survivor区，Survivor区“To”是空的。
2、紧接着进行GC，Eden区中所有存活的对象都会被复制到“To”，而在“From”区中，仍存活的对象会根据它们的年龄值来决定去向。年龄达到一定值（年龄阀值，可以通过-XX:MaxTenuringThreshold来设置）的对象会被移动到年老代中，没有达到阀值的对象会被复制到“To”区域。
3、经过这次GC后，Eden区和From区已经被清空。这个时候，“From”和“To”会交换他们的角色，也就是新的“To”就是上次GC前的“From”，新的“From”就是上次GC前的“To”。不管怎样，都会保证名为To的Survivor区域是空的。
4、GC会一直重复这样的过程，直到“To”区被填满，“To”区被填满之后，会将所有对象移动到年老代中。

2.4.2 优缺点

优点 ：
	1、在垃圾对象多的情况下，效率较高。
	2、清理后，内存无碎片。
缺点 ：
	1、在垃圾对象少的情况下，不适用，如 ：老年代内存。
	2、分配的2块内存空间，在同一时刻，只能使用一半，内存使用率较低。

2.5 分代算法

前面介绍了很多种回收算法，每一种算法都有自己的优点也有缺点，谁都不能替代谁，所以根据垃圾回收对象的特点进行选择，才是明智的选择。
分代算法其实就是这样的，根据回收对象的特点进行选择，在jvm中，年轻代适合使用复制算法，老年代适合使用标记清除或标记压缩算法。

3 垃圾收集器以及内存分配

在jvm中，实现了多种垃圾收集器，包括 ：串行垃圾收集器、并行垃圾收集器、CMS（并发）垃圾收集器、G1垃圾收集器。

3.1 串行垃圾收集器

串行垃圾收集器，是指使用单线程进行垃圾回收，垃圾回收时，只有一个线程在工作，并且java应用中的所有线程都要暂停，等待垃圾回收的完成。这种现象称之为STW （Stop-The-World）
对于交互性较强的应用而言，这种垃圾收集器是不能够接受的。
一般在javaweb应用中是不会采用该收集器的。

3.1.1 编写测试代码

3.1.2 设置垃圾回收为串行收集器

在程序运行参数中添加2个参数，如下 ：
	-XX:+UseSerialGC : 指定年轻代和老年代都使用串行垃圾收集器
	-XX:+PrintGCDetails : 打印垃圾回收的详细信息
为了测试GC，将堆的初始和最大内存都设置为16M
-XX:+UseSerialGC -XX:+PrintGCDetails -Xms16m -Xmx16m
启动程序，可以看到下面信息 ：

GC日志信息解读 ：
年轻代的内存GC前后的大小 ：
	DefNew : 表示使用的是串行垃圾收集器。
	Allocation Failure : 表示内存分配失败。
	4416K -> 512K(4928K) : 表示，年轻代GC前，占有4416K内存，GC后，占有512K内存，总大小4928K。
	0.0046102 secs : 表示GC所用的时间，单位为毫秒。
	4416K->1973K(15872K) : 表示，GC前，堆内存占有4416K，GC后，占有1973K，总大小为15872K。
	Full GC ：表示，内存空间全部进行GC

3.2 并行垃圾收集器

并行垃圾收集器在串行垃圾收集器的基础之上做了改进，将单线程改为了多线程进行垃圾回收，这样可以缩短垃圾回收的时间。（这里是指，
并行能力较强的机器）
当然了，并行垃圾收集器在收集的过程中也会暂停应用程序，这个和串行垃圾回收器是一样的，只是并行执行，速度更快些，暂停的时间
更短一些。

3.2.1 ParNew垃圾收集器

ParNew垃圾收集器是仅仅工作在年轻代上，只是将串行的垃圾收集器改为了并行。
通过-XX:+UseParNewGC参数设置年轻代使用ParNew回收器，老年代使用的依然是串行收集器。		

参数 ：
-XX:+UseParNewGC -XX:+PrintGCDetails -Xms16m -Xmx16m
打印出的信息

由以上信息可以看出，ParNew : 使用的是ParNew收集器。其他信息和串行收集器一致。

3.2.2 ParallelGC垃圾收集器

ParallelGC收集器工作机制和ParNewGC收集器一样，只是在此基础之上新增了两个和系统吞吐量相关的参数，使得其使用起来更加的灵
活和高效。
相关参数如下 ：
	-XX:+UseParellelGC
		年轻代使用ParallelGC垃圾回收器，老年代使用串行回收器。
	-XX:+UseParallelOldGC
		年轻代使用ParallelGC垃圾回收器，老年代使用ParallelOldGC垃圾回收器。
	-XX:MaxGCPauseMillis
		设置最大的垃圾收集时的停顿时间，单位为毫秒。
		需要注意的是，ParallelGC为了达到设置的停顿时间，可能会调整堆大小或其他的参数，如果堆的大小设置的较小，就会导致GC工作
		变的很频繁，反而可能会影响到性能。
		该参数使用需谨慎。		
	-XX:+GCTimeRatio
		设置垃圾回收时间占程序运行时间的百分比，公式为1/(1 + n)。
		它的值为0 ~ 100之间的数字，默认值是99，也就是垃圾回收时间不能超过1%。
	-XX:UseAdaptiveSizePolicy
		自适应GC模式，垃圾回收器将自动调整新生代、老年代等参数，达到吞吐量、堆大小、停顿时间之间的平衡。
		一般用于，手动调整参数比较困难的场景，让收集器自动进行调整。			

参数 ：
	-XX:+UseParallelGC
	-XX:+UseParallelOldGC
	-XX:MaxGCPauseMillis=100
	-XX:+PrintGCDetails
	-Xms16m
	-Xmx16m			

有以上信息可以看出，年轻代和老年代都使用了ParallelGC垃圾回收器。

3.3 CMS垃圾收集器

CMS全称Concurrent Mark Sweep，是一款并发的、使用标记-清除算法的垃圾回收器，该回收器是针对老年代垃圾回收的，通过参数-XX:+
UseConcMarkSweepGC进行设置。
CMS垃圾回收器的执行过程如下 ：

初始化标记（CMS-initial-mark），标记root，会导致stw；
并发标记（CMS-concurrent-mark），与用户线程同时运行；
预清理（CMS-concurrent-preclean），与用户线程同时运行；
重新标记（CMS-remark），会导致stw；
并发清除（CMS-concurrent-sweep），与用户线程同时运行；
调整堆大小，设置CMS在清理之后进行内存压缩，目的是清理内存中的碎片；
并发重置状态等待下次CMS的触发（CMS-concurrent-reset），与用户线程同时运行；

3.3.1 测试

设置启动参数
-XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:+PrintGCDetails -Xms16m -Xmx16m

由以上日志信息，可以看出CMS执行的过程。

3.4 G1垃圾收集器（重点）

G1垃圾收集器是在jdk1.7中正式使用的全新的垃圾收集器，oracle官方计划在jdk9中将G1变成默认的垃圾
收集器，以替代CMS。
G1的设计原则就是简化JVM性能调优，开发人员只需要简单的三步即可完成调优 ：
	1. 第一步，开启G1垃圾收集器
	2. 第二步，设置堆的最大内存
	3. 第三部，设置最大的停顿时间
G1中提供了三种模式垃圾回收模式，Young GC、Mixed GC和Full GC，在不同的条件下被触发。

3.4.1 原理

G1垃圾收集器相对比其他收集器而言，最大的区别在于它取消了年轻代、老年代的物理划分，取而代之的是将堆划分为若
干个区域（Region），这些区域中包含了有逻辑上的年轻代、老年代区域。
这样做的好处就是，我们再也不用单独的空间对每个代进行设置了，不用担心每个代内存是否足够。	

在G1划分的区域中，年轻代的垃圾收集依然采用暂停所有应用线程的方式，将存活对象拷贝到老年代或者Survivor空间，G1
收集器通过将对象从一个区域复制到另外一个区域，完成了清理工作。
这就意味着，在正常的处理过程中，G1完成了堆的压缩（至少是部分堆的压缩），这样也就不会有cms内存碎片问题的存在了。

在G1，有一个特殊的区域，叫Humongous区域。
	如果一个对象占用的空间超过了分区容量50%以上，G1收集器就认为这是一个巨型对象。
	这些巨型对象，默认直接会被分配在老年代，但是如果它是一个短期存在的巨型对象，就会对垃圾收集器造成影响。
	为了解决这个问题，G1划分了一个Humongous区，它用来专门存放巨型对象。如果一个H区装不下一个巨型对象，那么G1
	会寻找连续的H分区来存储。为了能找到连续的H区，有时候不得不启动Full GC。	

3.4.2 Young GC

Young GC主要是对Eden区进行GC，它在Eden空间耗尽时会被触发。
Eden空间的数据移动到Survivor空间中，如果Survivor空间不够，Eden空间的部分数据会直接晋升到年老代空间。
Survivor区的数据移动到新的Survivor区中，也有部分数据晋升到老年代空间中。
最终Eden空间的数据为空，GC停止工作，应用线程继续执行。

3.4.2.1 Remembered Set（已记忆集合）

在GC年轻代的对象时，我们如何找到年轻代中对象的根对象呢？
根对象可能是在年轻代中，也可以在老年代中，那么老年代中的所有对象都是根么？
如果全量扫描老年代，那么这样扫描下来会耗费大量的时间。
于是，G1引进了RSet的概念。它的全称是Remenbreed Set，其作用是跟踪指向某个堆内的对象引用。

每个Region初始化时，会初始化一个RSet，该集合用来记录并跟踪其它Region指向该Region中对象的引用，每个Region默认
按照512kb划分成多个Card，所以RSet需要记录的东西应该是xx Region的xx Card。	
每个RSet集合就是记录每个Region中对象被引用的信息。这样寻找根对象时直接扫描RSet集合就行。

3.4.3 Mixed GC

当越来越多的对象晋升到老年代old region时，为了避免堆内存被耗尽，虚拟机会触发一个混合的垃圾收集器，即Mixed GC，
该算法并不是一个Old GC，除了回收整个YoungRegin，还会回收一部分的Old Region，这里需要注意 ：是一部分老年代，而
不是全部老年代，可以选择那些old region进行收集，从而可以对垃圾回收的耗时时间进行控制。也要注意的是Mixed GC并不是
Full GC。
Mixed GC什么时候触发？由参赛-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=n 决定。默认 ：45%，该参数的意思是 ：当老年代大小
占整个堆大小百分比达到该阀值时触发。
它的GC步骤分2步 ：
	1 . 全局并发标记（global concurrent marking）
	2 . 拷贝存活对象（evacuation）

3.4.3.1 全局并发标记

全局并发标记，执行过程分为五个步骤 ：
	初始标记（initial mark,STW）
		标记从根节点直接可达的对象，这个阶段会执行一次年轻代GC，会产生全局停顿。
	根区域扫描（root region scan）
		G1 GC在初始标记的存活区扫描对老年代的引用，并标记被引用的对象。
		该阶段与应用程序（非STW）同时运行，并且只有完成该阶段后，才能开始下一次STW年轻代垃圾回收。
	并发标记（Concurrent Marking）		
		G1 GC在整个堆中查找可访问的（存活的）对象。该阶段与应用程序同时运行，可以被STW年轻代垃圾回收中断。
	重新标记（Renark，STW）
		该阶段是STW回收，因为程序在运行，针对上一次的标记进行修正。
	清除垃圾（Cleanup，STW）
		清除和重置标记状态，该阶段会STW，这个阶段并不会实际上去做垃圾的收集，等待evacuation	阶段来回收。

3.4.3.2 拷贝存活对象

Evacuation阶段是全暂停的。该阶段把一部分Region里的活对象拷贝到另一部分Region中，从而实现垃圾的回收清理。

3.4.4 G1收集器相关参数

-XX:+UseG1GC
	使用G1垃圾收集器
-XX:MaxGCPauseMillis
	设置期望达到的最大GC停顿时间指标（JVM会尽力实现，但不保证达到），默认值是200毫秒。
-XX:G1HeapRegionSize=n
	设置的G1区域的大小。值时2的幂，范围是1MB到32MB之间。目标是根据最小的Java堆大小划分出约2048个区域。
	默认是堆内存的1/2000。
-XX:ConcGCThreads=n
	设置并行标记的线程数。将n设置为并行垃圾回收线程数（ParallelGCThreads）的1/4左右。
-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=n
	设置触发标记周期的Java堆占有率阀值。默认占用率是整个Java堆的45%。

3.4.5 测试

-XX:+UseG!GC -XX:MaxGCPauseMillis=100 -XX:+PrintGCDetails -Xmx256m

3.4.6 对于G1垃圾收集器优化建议

年轻代大小
	避免使用-Xmn选项或-XX:NewRatio等其他相关选项显示设置年轻代大小。
	固定年轻代的大小会覆盖暂停时间目标。
暂停时间目标不要太过严苛
	G1 GC的吞吐量目标是90%的应用程序时间和10%的垃圾回收时间。
	评估G1 GC的吞吐量时，暂停时间目标不要太严苛。目标太多严苛表示您愿意承受更多的垃圾回收开销，而这会直接影响到吞吐量。

4 可视化GC日志分析工具

4.1 GC日志输出参数

前面通过-XX:+PrintGCDetail可以对GC日志进行打印，我们就可以在控制台查看，这样虽然可以查看GC的信息，但是并不直观，可以借助于
第三方的GC的日志分析工具进行查看。

在日志打印输出设计到的参数如下 ：	
	-XX:+PrintGC 输出GC日志
	-XX:+PrintGCDetails 输出GC的详细日志
	-XX:+PrintGCTimeStamps 输出GC的时间戳（以基准时间的形式）
	-XX:+PrintGCDateStamps 输出GC的时间戳（以日期的形式，如2013-05-04T21:53:59.234+0800)
	-XX:+PrintHeapAtGC 在进行GC的前后打印出堆的信息
	-Xloggc:../logs/gc.log 日志文件的输出路径
测试 ：
	-XX:+UseG1GC -XX:MaxGCPauseMillis=100 -Xmx256m -XX:+PrintGCDetails
	-XX:+PrintGCTimeStamps -XX:+PrintGCDateStamps -XX:+PrintHeapAtGC
	-Xloggc:F://test//gc.log
运行后就可以在F盘下生成gc.log文件。			

4.2 GC Easy可视化工具

GC Easy是一款在线的可视化工具，易用、功能强大，网站 ：https://gceasy.io/	

这个是显示JVM堆的总大小、年轻代大小、老年代大小。

这个是显示GC停顿时间和吞吐率

各个GC执行情况