垃圾回收的常見演算法
垃圾回收的常見演算法
- 2.1 引用計數法
- 2.1.1 原理
- 2.1.2 優缺點
- 2.2 標記清除法
- 2.2.1 原理
- 2.2.2 優缺點
- 2.3 標記壓縮演算法
- 2.3.1 原理
- 2.3.2 優缺點
- 2.4 複製演算法
- 2.4.1 JVM中年輕代記憶體空間
- 2.4.2 優缺點
- 2.5 分代演算法
- 3 垃圾收集器以及記憶體分配
- 3.1 序列垃圾收集器
- 3.1.1 編寫測試程式碼
- 3.1.2 設定垃圾回收為序列收集器
- 3.2 並行垃圾收集器
- 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 測試
- 3.4 G1垃圾收集器（重點）
- 3.4.1 原理
- 3.4.2 Young GC
- 3.4.2.1 Remembered Set（已記憶集合）
- 3.4.3 Mixed GC
- 3.4.3.1 全域性併發標記
- 3.4.3.2 拷貝存活物件
- 3.4.4 G1收集器相關引數
- 3.4.5 測試
- 3.4.6 對於G1垃圾收集器優化建議
- 4 視覺化GC日誌分析工具
- 4.1 GC日誌輸出引數
- 4.2 GC Easy視覺化工具
自動化的管理記憶體資源，垃圾回收機制必須要有一套演算法來進行計算，那些是有效的物件，那些是無效的物件，對於無效的物件
常見的垃圾回收演算法有 ：引用計數法、標記清除法、標記壓縮法、複製演算法、分代演算法等。
2.1 引用計數法
引用計數是歷史最悠久的一種演算法，最早George E. Collins在1960的首次提出，50年後的今天，該演算法依然被很多程式語言使用。
2.1.1 原理
假設有一個物件A，任何一個物件對A的引用，那麼物件A的引用計數器+1，當引用失敗時，物件A的引用計數器就-1，如果物件A的計算器的值
為0，就說明物件A沒有引用了，可以被回收。如圖所示
2.1.2 優缺點
優點 ： 1、實時性較高，無需等到記憶體不夠的時候，才開始回收，執行時根據物件的計數器是否為0，就可以直接回收。 2、在垃圾回收過程中，應用無需掛起。如果申請記憶體時，記憶體不足，則立刻報outofmember錯誤。 3、區域性，更新物件的計數器時，只是影響到該物件，不會掃描全部物件。 缺點 ： 1、每次物件唄引用時，都需要去更新計數器，有一點時間開銷。 2、浪費CPU資源，即使記憶體夠用，任然在執行時進行計數器的統計。 3、無法解決迴圈引用問題。（最大的缺點）
雖然a和b都為null，但是由於a和b存在迴圈引用，這樣a和b永遠都不回被回收。
2.2 標記清除法
標記清除演算法，是將垃圾回收分為2個階段，分別是標記和清除。
標記 ：從根節點開始標記引用的物件。
清除 ：未被標記引用的物件就是垃圾物件，可以被清理。
2.2.1 原理
這張圖代表的是程式執行期間所有物件的狀態，它們的標誌位全部是0（也就是未標記，以下預設0就是未標記，1為已標記），
假設這會兒有效記憶體空間耗盡了，JVM將會停止應用程式的執行並開啟GC執行緒，然後開始進行標記工作，按照根搜尋演算法，標記完以後，物件的狀態如下圖。
可以看到，按照根搜尋演算法，所有從root物件可達的物件就被標記為存活的物件，此時已經完成了第一階段標記。接下來，就要
執行第二階段清除了，那麼清除完以後，剩下的物件以及物件的狀態如下圖所示。
可以看到，沒有被標記的物件將會回收清除掉，而被標記的物件將會留下，並且會將標記重新歸0.接下來就不用說了，喚醒停止
的程式執行緒，讓程式繼續執行即可。
2.2.2 優缺點
可以看到，標記清除演算法解決了引用計數演算法中的迴圈引用的問題，沒有從root節點引用的物件都會被回收。同樣，標記清除演算法也是有缺點的 ：
1、效率較低，標記和清除兩個動作都需要遍歷所有的物件，並且在GC時，需要停止應用程式，對於互動性要求比較高的應用
而言這個體驗是非常差的。
2、通過標記清除演算法清理出來的內容，碎片化較為嚴重，因為被回收的物件可能存在於記憶體的各個角落，所以清理出來的記憶體是不連貫的。
2.3 標記壓縮演算法
標記壓縮演算法是在標記清除演算法的基礎之上，做了優化改進的演算法。和標記清除演算法一樣，也是從根節點開始，對物件的引用進行標記，在清理階段，並不是簡單的清理未標記的物件，而是將存活的物件壓縮到記憶體的一端，然後清理邊界以外的垃圾，從而解決了碎片化的問題。
2.3.1 原理
2.3.2 優缺點
優缺點同標記清除演算法，解決了標記清除演算法的碎片化的問題，同時，標記壓縮演算法多了一步，物件移動記憶體位置的步驟，其效率也有一定的影響。
2.4 複製演算法
複製演算法的核心就是，將原有的記憶體空間一分為二，每次只用其中的一塊，在垃圾回收時，將正在使用的物件複製到另一個記憶體空間中，然後將該記憶體空間清空，交換兩個記憶體的角色，完成垃圾的回收。
如果記憶體中的垃圾物件較多，需要複製的物件就較少，這種情況下適合使用該方式並且效率比較高，反之，則不適合。 
2.4.1 JVM中年輕代記憶體空間
1、在GC開始的時候，物件只會存在於Eden區和名為“From”的Survivor區，Survivor區“To”是空的。
2、緊接著進行GC，Eden區中所有存活的物件都會被複制到“To”，而在“From”區中，仍存活的物件會根據它們的年齡值來決定去向。年齡達到一定值（年齡閥值，可以通過-XX:MaxTenuringThreshold來設定）的物件會被移動到年老代中，沒有達到閥值的物件會被複制到“To”區域。
3、經過這次GC後，Eden區和From區已經被清空。這個時候，“From”和“To”會交換他們的角色，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”。不管怎樣，都會保證名為To的Survivor區域是空的。
4、GC會一直重複這樣的過程，直到“To”區被填滿，“To”區被填滿之後，會將所有物件移動到年老代中。
2.4.2 優缺點
優點 ：
1、在垃圾物件多的情況下，效率較高。
2、清理後，記憶體無碎片。
缺點 ：
1、在垃圾物件少的情況下，不適用，如 ：老年代記憶體。
2、分配的2塊記憶體空間，在同一時刻，只能使用一半，記憶體使用率較低。
2.5 分代演算法
前面介紹了很多種回收演算法，每一種演算法都有自己的優點也有缺點，誰都不能替代誰，所以根據垃圾回收物件的特點進行選擇，才是明智的選擇。
分代演算法其實就是這樣的，根據回收物件的特點進行選擇，在jvm中，年輕代適合使用複製演算法，老年代適合使用標記清除或標記壓縮演算法。
3 垃圾收集器以及記憶體分配
在jvm中，實現了多種垃圾收集器，包括 ：序列垃圾收集器、並行垃圾收集器、CMS（併發）垃圾收集器、G1垃圾收集器。
3.1 序列垃圾收集器
序列垃圾收集器，是指使用單執行緒進行垃圾回收，垃圾回收時，只有一個執行緒在工作，並且java應用中的所有執行緒都要暫停，等待垃圾回收的完成。這種現象稱之為STW （Stop-The-World）
對於互動性較強的應用而言，這種垃圾收集器是不能夠接受的。
一般在javaweb應用中是不會採用該收集器的。
3.1.1 編寫測試程式碼
3.1.2 設定垃圾回收為序列收集器
在程式執行引數中新增2個引數，如下 ：
-XX:+UseSerialGC : 指定年輕代和老年代都使用序列垃圾收集器
-XX:+PrintGCDetails : 列印垃圾回收的詳細資訊
為了測試GC，將堆的初始和最大記憶體都設定為16M
-XX:+UseSerialGC -XX:+PrintGCDetails -Xms16m -Xmx16m
啟動程式，可以看到下面資訊 ：
GC日誌資訊解讀 ：
年輕代的記憶體GC前後的大小 ：
DefNew : 表示使用的是序列垃圾收集器。
Allocation Failure : 表示記憶體分配失敗。
4416K -> 512K(4928K) : 表示，年輕代GC前，佔有4416K記憶體，GC後，佔有512K記憶體，總大小4928K。
0.0046102 secs : 表示GC所用的時間，單位為毫秒。
4416K->1973K(15872K) : 表示，GC前，堆記憶體佔有4416K，GC後，佔有1973K，總大小為15872K。
Full GC ：表示，記憶體空間全部進行GC
3.2 並行垃圾收集器
並行垃圾收集器在序列垃圾收集器的基礎之上做了改進，將單執行緒改為了多執行緒進行垃圾回收，這樣可以縮短垃圾回收的時間。（這裡是指，
並行能力較強的機器）
當然了，並行垃圾收集器在收集的過程中也會暫停應用程式，這個和序列垃圾回收器是一樣的，只是並行執行，速度更快些，暫停的時間
更短一些。
3.2.1 ParNew垃圾收集器
ParNew垃圾收集器是僅僅工作在年輕代上，只是將序列的垃圾收集器改為了並行。
通過-XX:+UseParNewGC引數設定年輕代使用ParNew回收器，老年代使用的依然是序列收集器。
引數 ：
-XX:+UseParNewGC -XX:+PrintGCDetails -Xms16m -Xmx16m
打印出的資訊
由以上資訊可以看出，ParNew : 使用的是ParNew收集器。其他資訊和序列收集器一致。
3.2.2 ParallelGC垃圾收集器
ParallelGC收集器工作機制和ParNewGC收集器一樣，只是在此基礎之上新增了兩個和系統吞吐量相關的引數，使得其使用起來更加的靈
活和高效。
相關引數如下 ：
-XX:+UseParellelGC
年輕代使用ParallelGC垃圾回收器，老年代使用序列回收器。
-XX:+UseParallelOldGC
年輕代使用ParallelGC垃圾回收器，老年代使用ParallelOldGC垃圾回收器。
-XX:MaxGCPauseMillis
設定最大的垃圾收集時的停頓時間，單位為毫秒。
需要注意的是，ParallelGC為了達到設定的停頓時間，可能會調整堆大小或其他的引數，如果堆的大小設定的較小，就會導致GC工作
變的很頻繁，反而可能會影響到效能。
該引數使用需謹慎。
-XX:+GCTimeRatio
設定垃圾回收時間佔程式執行時間的百分比，公式為1/(1 + n)。
它的值為0 ~ 100之間的數字，預設值是99，也就是垃圾回收時間不能超過1%。
-XX:UseAdaptiveSizePolicy
自適應GC模式，垃圾回收器將自動調整新生代、老年代等引數，達到吞吐量、堆大小、停頓時間之間的平衡。
一般用於，手動調整引數比較困難的場景，讓收集器自動進行調整。
引數 ：
-XX:+UseParallelGC
-XX:+UseParallelOldGC
-XX:MaxGCPauseMillis=100
-XX:+PrintGCDetails
-Xms16m
-Xmx16m
有以上資訊可以看出，年輕代和老年代都使用了ParallelGC垃圾回收器。
3.3 CMS垃圾收集器
CMS全稱Concurrent Mark Sweep，是一款併發的、使用標記-清除演算法的垃圾回收器，該回收器是針對老年代垃圾回收的，通過引數-XX:+
UseConcMarkSweepGC進行設定。
CMS垃圾回收器的執行過程如下 ：
初始化標記（CMS-initial-mark），標記root，會導致stw；
併發標記（CMS-concurrent-mark），與使用者執行緒同時執行；
預清理（CMS-concurrent-preclean），與使用者執行緒同時執行；
重新標記（CMS-remark），會導致stw；
併發清除（CMS-concurrent-sweep），與使用者執行緒同時執行；
調整堆大小，設定CMS在清理之後進行記憶體壓縮，目的是清理記憶體中的碎片；
併發重置狀態等待下次CMS的觸發（CMS-concurrent-reset），與使用者執行緒同時執行；
3.3.1 測試
設定啟動引數
-XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:+PrintGCDetails -Xms16m -Xmx16m
由以上日誌資訊，可以看出CMS執行的過程。
3.4 G1垃圾收集器（重點）
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官方計劃在jdk9中將G1變成預設的垃圾
收集器，以替代CMS。
G1的設計原則就是簡化JVM效能調優，開發人員只需要簡單的三步即可完成調優 ：
1. 第一步，開啟G1垃圾收集器
2. 第二步，設定堆的最大記憶體
3. 第三部，設定最大的停頓時間
G1中提供了三種模式垃圾回收模式，Young GC、Mixed GC和Full GC，在不同的條件下被觸發。
3.4.1 原理
G1垃圾收集器相對比其他收集器而言，最大的區別在於它取消了年輕代、老年代的物理劃分，取而代之的是將堆劃分為若
幹個區域（Region），這些區域中包含了有邏輯上的年輕代、老年代區域。
這樣做的好處就是，我們再也不用單獨的空間對每個代進行設定了，不用擔心每個代記憶體是否足夠。
在G1劃分的區域中，年輕代的垃圾收集依然採用暫停所有應用執行緒的方式，將存活物件拷貝到老年代或者Survivor空間，G1
收集器通過將物件從一個區域複製到另外一個區域，完成了清理工作。
這就意味著，在正常的處理過程中，G1完成了堆的壓縮（至少是部分堆的壓縮），這樣也就不會有cms記憶體碎片問題的存在了。
在G1，有一個特殊的區域，叫Humongous區域。
如果一個物件佔用的空間超過了分割槽容量50%以上，G1收集器就認為這是一個巨型物件。
這些巨型物件，預設直接會被分配在老年代，但是如果它是一個短期存在的巨型物件，就會對垃圾收集器造成影響。
為了解決這個問題，G1劃分了一個Humongous區，它用來專門存放巨型物件。如果一個H區裝不下一個巨型物件，那麼G1
會尋找連續的H分割槽來儲存。為了能找到連續的H區，有時候不得不啟動Full GC。
3.4.2 Young GC
Young GC主要是對Eden區進行GC，它在Eden空間耗盡時會被觸發。
Eden空間的資料移動到Survivor空間中，如果Survivor空間不夠，Eden空間的部分資料會直接晉升到年老代空間。
Survivor區的資料移動到新的Survivor區中，也有部分資料晉升到老年代空間中。
最終Eden空間的資料為空，GC停止工作，應用執行緒繼續執行。 
3.4.2.1 Remembered Set（已記憶集合）
在GC年輕代的物件時，我們如何找到年輕代中物件的根物件呢？
根物件可能是在年輕代中，也可以在老年代中，那麼老年代中的所有物件都是根麼？
如果全量掃描老年代，那麼這樣掃描下來會耗費大量的時間。
於是，G1引進了RSet的概念。它的全稱是Remenbreed Set，其作用是跟蹤指向某個堆內的物件引用。
每個Region初始化時，會初始化一個RSet，該集合用來記錄並跟蹤其它Region指向該Region中物件的引用，每個Region預設
按照512kb劃分成多個Card，所以RSet需要記錄的東西應該是xx Region的xx Card。
每個RSet集合就是記錄每個Region中物件被引用的資訊。這樣尋找根物件時直接掃描RSet集合就行。
3.4.3 Mixed GC
當越來越多的物件晉升到老年代old region時，為了避免堆記憶體被耗盡，虛擬機器會觸發一個混合的垃圾收集器，即Mixed GC，
該演算法並不是一個Old GC，除了回收整個YoungRegin，還會回收一部分的Old Region，這裡需要注意 ：是一部分老年代，而
不是全部老年代，可以選擇那些old region進行收集，從而可以對垃圾回收的耗時時間進行控制。也要注意的是Mixed GC並不是
Full GC。
Mixed GC什麼時候觸發？由參賽-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=n 決定。預設 ：45%，該引數的意思是 ：當老年代大小
佔整個堆大小百分比達到該閥值時觸發。
它的GC步驟分2步 ：
1 . 全域性併發標記（global concurrent marking）
2 . 拷貝存活物件（evacuation）
3.4.3.1 全域性併發標記
全域性併發標記，執行過程分為五個步驟 ：
初始標記（initial mark,STW）
標記從根節點直接可達的物件，這個階段會執行一次年輕代GC，會產生全域性停頓。
根區域掃描（root region scan）
G1 GC在初始標記的存活區掃描對老年代的引用，並標記被引用的物件。
該階段與應用程式（非STW）同時執行，並且只有完成該階段後，才能開始下一次STW年輕代垃圾回收。
併發標記（Concurrent Marking）
G1 GC在整個堆中查詢可訪問的（存活的）物件。該階段與應用程式同時執行，可以被STW年輕代垃圾回收中斷。
重新標記（Renark，STW）
該階段是STW回收，因為程式在執行，針對上一次的標記進行修正。
清除垃圾（Cleanup，STW）
清除和重置標記狀態，該階段會STW，這個階段並不會實際上去做垃圾的收集，等待evacuation 階段來回收。
3.4.3.2 拷貝存活物件
Evacuation階段是全暫停的。該階段把一部分Region裡的活物件拷貝到另一部分Region中，從而實現垃圾的回收清理。
3.4.4 G1收集器相關引數
-XX:+UseG1GC
使用G1垃圾收集器
-XX:MaxGCPauseMillis
設定期望達到的最大GC停頓時間指標（JVM會盡力實現，但不保證達到），預設值是200毫秒。
-XX:G1HeapRegionSize=n
設定的G1區域的大小。值時2的冪，範圍是1MB到32MB之間。目標是根據最小的Java堆大小劃分出約2048個區域。
預設是堆記憶體的1/2000。
-XX:ConcGCThreads=n
設定並行標記的執行緒數。將n設定為並行垃圾回收執行緒數（ParallelGCThreads）的1/4左右。
-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=n
設定觸發標記週期的Java堆佔有率閥值。預設佔用率是整個Java堆的45%。
3.4.5 測試
-XX:+UseG!GC -XX:MaxGCPauseMillis=100 -XX:+PrintGCDetails -Xmx256m
3.4.6 對於G1垃圾收集器優化建議
年輕代大小
避免使用-Xmn選項或-XX:NewRatio等其他相關選項顯示設定年輕代大小。
固定年輕代的大小會覆蓋暫停時間目標。
暫停時間目標不要太過嚴苛
G1 GC的吞吐量目標是90%的應用程式時間和10%的垃圾回收時間。
評估G1 GC的吞吐量時，暫停時間目標不要太嚴苛。目標太多嚴苛表示您願意承受更多的垃圾回收開銷，而這會直接影響到吞吐量。
4 視覺化GC日誌分析工具
4.1 GC日誌輸出引數
前面通過-XX:+PrintGCDetail可以對GC日誌進行列印，我們就可以在控制檯檢視，這樣雖然可以檢視GC的資訊，但是並不直觀，可以藉助於
第三方的GC的日誌分析工具進行檢視。
在日誌列印輸出設計到的引數如下 ：
-XX:+PrintGC 輸出GC日誌
-XX:+PrintGCDetails 輸出GC的詳細日誌
-XX:+PrintGCTimeStamps 輸出GC的時間戳（以基準時間的形式）
-XX:+PrintGCDateStamps 輸出GC的時間戳（以日期的形式，如2013-05-04T21:53:59.234+0800)
-XX:+PrintHeapAtGC 在進行GC的前後打印出堆的資訊
-Xloggc:../logs/gc.log 日誌檔案的輸出路徑
測試 ：
-XX:+UseG1GC -XX:MaxGCPauseMillis=100 -Xmx256m -XX:+PrintGCDetails
-XX:+PrintGCTimeStamps -XX:+PrintGCDateStamps -XX:+PrintHeapAtGC
-Xloggc:F://test//gc.log
執行後就可以在F盤下生成gc.log檔案。
4.2 GC Easy視覺化工具
GC Easy是一款線上的視覺化工具，易用、功能強大，網站 ：https://gceasy.io/
這個是顯示JVM堆的總大小、年輕代大小、老年代大小。
這個是顯示GC停頓時間和吞吐率
各個GC執行情況
