大家好，我是狂聊，上一篇已經(jīng)把 Jvm 的運行區(qū)數(shù)據(jù)和類加載機制聊完了。
今天來說說 Java 垃圾回收，高頻面試問題。
提綱附上，話不多說，直接干貨
1、什么是垃圾回收？
垃圾回收（Garbage Collection，GC）：就是釋放垃圾占用的空間，防止內(nèi)存泄露。對內(nèi)存堆中已經(jīng)死亡的或者長時間沒有使用的對象進行清除和回收。
2、垃圾在哪兒？
上圖可以看到程序計數(shù)器、虛擬機棧、本地方法棧都是伴隨著線程而生死，這些區(qū)域不需要進行 GC。
而方法區(qū)/元空間在 1.8 之后就直接放到本地內(nèi)存了，假設(shè)總內(nèi)存 2G，JVM 被分配內(nèi)存 100M， 理論上元空間可以分配 2G-100M = 1.9G，空間還是足夠的，所以這塊區(qū)域也不用管。
所以就只剩下堆了，java 對象實例和數(shù)組都是在堆上分配的，所以垃圾回收器重點照顧堆。
3、怎么發(fā)現(xiàn)它？
在發(fā)生 GC 的時候，Jvm 是怎么判斷堆中的對象實例是不是垃圾呢？
這里有兩種方式：
1、引用計數(shù)法
就是給對象中添加一個引用計數(shù)器，每當(dāng)有一個地方引用它時，計數(shù)器的值就加 1，每當(dāng)有一個引用失效時，計數(shù)器的值就減 1。任何時刻只要對象的計數(shù)器值為 0，那么就可以被判定為垃圾對象。
這種方式，效率挺高，但是 Jvm 并沒有使用引用計數(shù)算法。那是因為在某種場合下存在問題
比如下面的代碼，會出現(xiàn)循環(huán)引用的問題：
public class Test { Test test; public Test(String name) {} public static void main(String[] args) { Test a = new Test("A"); Test b = new Test("B"); a.test = b; b.test = a; a = null; b = null; } }
即使你把 a 和 b 的引用都置為 null 了，計數(shù)器也不是 0，而是 1，因為它們指向的對象又互相指向了對方，所以無法回收這兩個對象。
2、可達性分析法
這才是 jvm 默認(rèn)使用的尋找垃圾算法。
它的原理是通過一些列稱為“GC Roots”的對象作為起始點，從這些節(jié)點開始向下搜索，搜素所走過的路叫做稱為引用鏈“Reference Chain”，當(dāng)一個對象到 GC Roots 沒有任何引用鏈時，就說這個對象是不可達的。
從上圖可以看到，即使 Object5 和 Object6 之間相互引用，但是沒有 GC Roots 和它們關(guān)聯(lián)，所以可以解決循環(huán)引用的問題。
小知識點：
1、哪些可以作為 GC ROOTS 根呢？
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虛擬機棧（棧幀中的本地變量表）中引用的對象
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方法區(qū)中類靜態(tài)屬性引用的對象
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方法區(qū)中常量引用的對象
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本地方法棧中 JNI（即一般說的 Native 方法）引用的對象
2、不得不說的四種引用
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強引用：就是在程序中普遍存在的，類似“Object a=new Object”這類的引用。 只要強引用關(guān)系還存在，垃圾回收器就不會回收掉被引用的對象。
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軟引用：用來描述一些還有用但是并非必須的對象。 直到內(nèi)存空間不夠時（拋出 OutOfMemoryError 之前），才會被垃圾回收，通過 SoftReference 來實現(xiàn)。
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弱引用：比軟引用還弱，也是用來描述非必須的對象的， 當(dāng)垃圾回收器開始工作時，無論內(nèi)存是否足夠用，弱引用的關(guān)聯(lián)的對象都會被回收 WeakReference。
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虛引用：它是最弱的一種引用關(guān)系，它的唯一作用是用來作為一種通知。 采用 PhantomRenference 實現(xiàn)。
3、為什么定義這些引用？
個人理解，其實就是給對象加一種中間態(tài)，讓一個對象不只有引用和非引用兩種情況，還可以描述一些“食之無味棄之可惜”的對象。比如說：當(dāng)內(nèi)存空間足時，則能保存在內(nèi)存中，如果內(nèi)存空間在進行垃圾回收之后還不夠時，才對這些對象進行回收。
4、生存還是死亡？
要真正宣告一個對象死亡，至少要經(jīng)歷兩次標(biāo)記過程和一次篩選。
一張圖帶你看明白：
5、垃圾收集算法
1、標(biāo)記清除算法
分為兩個階段“標(biāo)記”和“清除”，標(biāo)記出所有要回收的對象，然后統(tǒng)一進行清除。
缺點：
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在對象變多的情況下，標(biāo)記和清除效率都不高
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會產(chǎn)生空間碎片
2、復(fù)制算法
就是將堆分成兩塊完全相同的區(qū)域，對象只在其中一塊區(qū)域內(nèi)分配，然后標(biāo)記出那些是存活的對象，按順序整體移到另外一個空間，然后回收掉之前那個區(qū)域的所有對象。
缺點：
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雖然能夠解決空間碎片的問題，但是空間少了一半。也太多了吧?。?
3、標(biāo)記整理算法
這種算法是，先找到存活的對象，然后將它們向空間的一端移動，最后回收掉邊界以外的垃圾對象。
4、分代收集
其實就是整合了上面三種算法，揚長避短。
之所以叫分代，是因為根據(jù)對象存活周期的不同將整個 Java 堆切割成為三個部分：
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Young(年輕代)
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Eden(伊利園)：新生對象
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Survivor(幸存者)：垃圾回收后還活著的對象
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Tenured(老年代)：對象多次回收都沒有被清理，會移到老年代
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Perm(永久代)：存放加載的類別還有方法對象，java8 之后移除了永久代，替換為元空間(Metaspace)
在新生代中，每次垃圾收集都有大量的對象死去，只有少量的存活，那就選用 復(fù)制算法 ，因為復(fù)制成本很小，只需要復(fù)制少量存活對象。
老年代中，存活對象較多，沒有額外的空間擔(dān)保，就得使用 標(biāo)記清除 或者 標(biāo)記整理 。
6、垃圾收集器
在說垃圾回收器之前需要了解幾個概念：
1、幾個概念
吞吐量
CPU 用于運行用戶代碼的時間與 CPU 總消耗時間的比值。
比如說虛擬機總運行了 100 分鐘，用戶代碼時間 99 分鐘，垃圾回收時間 1 分鐘，那么吞吐量就是 99%。
STW
全稱 Stop-The-World，即在 GC 期間，只有垃圾回收器線程在工作，其他工作線程則被掛起。
為什么需要 STW 呢？
在 java 程序中引用關(guān)系是不斷會變化的，那么就會有很多種情況來導(dǎo)致垃圾標(biāo)識出錯。
想想一下如果一個對象 A 當(dāng)前是個垃圾，GC 把它標(biāo)記為垃圾，但是在清除前又有其他引用指向了 A，那么此刻又不是垃圾了。
那么，如果沒有 STW 的話，就要去無限維護這種關(guān)系來去采集正確的信息，顯然是不可取的。
安全點
從線程角度看，安全點可以理解成是在代碼執(zhí)行過程中的一些特殊位置，當(dāng)線程執(zhí)行到這些位置的時候，說明虛擬機當(dāng)前的狀態(tài)是安全的。
比如：方法調(diào)用、循環(huán)跳轉(zhuǎn)、異常跳轉(zhuǎn)等這些地方才會產(chǎn)生安全點。
如果有需要，可以在這個位置暫停，比如發(fā)生 GC 時，需要暫停所有活動線程，但是線程在這個時刻，還沒有執(zhí)行到一個安全點，所以該線程應(yīng)該繼續(xù)執(zhí)行，到達下一個安全點的時候暫停，等待 GC 結(jié)束。
串行、并行
串行：是指垃圾回收線程在進行垃圾回收工作，此時用戶線程處于等待狀態(tài)。
并行：是指用戶線程和多條垃圾回收線程分別在不同 CPU 上同時工作。
2、回收器
下面是一張很經(jīng)典的圖，展示了 7 種不同分代的收集器，如果兩個收集器之間存在連線，說明可以搭配使用。
Serial
Serial 收集器是一個單線程收集器，在進行垃圾回收器的時候，必須暫停其他工作線程，也就是發(fā)生 STW。在 GC 期間，應(yīng)用是不可用的。
特點：1、采用復(fù)制算法 2、單線程收集器 3、效率會比較慢，但是因為是單線程，所以消耗內(nèi)存小
ParNew
ParNew 是 Serial 的多線程版本，也是工作在新生代，能與 CMS 配合使用。
在多 CPU 的情況下，由于 ParNew 的多線程回收特性，毫無疑問垃圾收集會更快，也能有效地減少 STW 的時間，提升應(yīng)用的響應(yīng)速度。
特點：1、采用復(fù)制算法 2、多線程收集器 3、效率高，能大大減少 STW 時間。
Parallel Scavenge
Parallel Scavenge 收集器也是一個使用復(fù)制算法，多線程，工作于新生代的垃圾收集器，看起來功能和 ParNew 收集器基本一樣。
但是它有啥特別之處呢？關(guān)注點不同
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ParNew 垃圾收集器關(guān)注的是盡可能縮短垃圾收集時用戶線程的停頓時間，更適合用到與用戶交互的程序，因為停頓時間越短，用戶體驗肯定就好呀??！
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Parallel Scavenge 目標(biāo)是達到一個可控制的吞吐量，所以更適合做后臺運算等不需要太多用戶交互的任務(wù)。
Parallel Scavenge 收集器提供了兩個參數(shù)來控制吞吐量，
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-XX:MaxGCPauseMillis：控制最大垃圾收集時間
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-XX:GCTimeRati：直接設(shè)置吞吐量大小
特點：1、采用復(fù)制算法 2、多線程收集器 3、吞吐量優(yōu)先
Serial Old
Serial 收集器是工作于新生代的單線程收集器，與之相對地，Serial Old 是工作于老年代的單線程收集器。
作用：
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在 Client 模式下與 Serial 回收器配合使用
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Server 模式下，則它還有兩大用途：一種是在 JDK 1.5 及之前的版本中與 Parallel Scavenge 配合使用，另一種是作為 CMS 收集器的后備預(yù)案,在并發(fā)收集發(fā)生 Concurrent Mode Failure 時使用
它與 Serial 收集器配合使用示意圖如下：
特點：1、標(biāo)記-整理算法 2、單線程 3、老年代工作
Parallel Old
Parallel Old 是一個多線程的垃圾回收器，采用標(biāo)記整理算法，負(fù)責(zé)老年代的垃圾回收工作，可以與 Parallel Scavenge 垃圾回收器一起搭配工作。真正的實現(xiàn)吞吐量優(yōu)先
示意圖如下：
特點：1、標(biāo)記-整理算法 2、多線程 3、老年代工作
CMS
CMS 可以說是一款具有"跨時代"意義的垃圾回收器，如果應(yīng)用很重視服務(wù)的響應(yīng)速度，希望給用戶最好的體驗，則 CMS 收集器是非常合適的，它是以獲取最短回收停頓時間為目標(biāo)的收集器！
CMS 雖然工作在老年代，和之前收集器不同的是，使用的標(biāo)記清除算法
示意圖如下：
垃圾回收的 4 個步驟：
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初始標(biāo)記：標(biāo)記出來和 GC Roots 直接關(guān)聯(lián)的對象，整個速度是非?？斓?，會發(fā)生 STW，確保標(biāo)記的準(zhǔn)確性。
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并發(fā)標(biāo)記：并發(fā)標(biāo)記這個階段會直接根據(jù)第一步關(guān)聯(lián)的對象找到所有的引用關(guān)系，耗時較長，但是這個階段會與用戶線程并發(fā)運行，不會有很大的影響。
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重新標(biāo)記：這個階段是為了解決第二步并發(fā)標(biāo)記所導(dǎo)致的標(biāo)錯情況。并發(fā)階段會和用戶線程并行，有可能會出現(xiàn)判斷錯誤的情況，這個階段就是對上一個階段的修正。
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并發(fā)清除：最后一個階段，將之前確認(rèn)為垃圾的對象進行回收，會和用戶線程一起并發(fā)執(zhí)行。
缺點：
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影響用戶線程的執(zhí)行效率：CMS 默認(rèn)啟動的回收線程數(shù)是（處理器核心數(shù) + 3）/ 4 ,由于是和用戶線程一起并發(fā)清理，那么勢必會影響到用戶線程的執(zhí)行速度
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會產(chǎn)生浮動垃圾：CMS 的第 4 個階段 并發(fā)清除是和用戶線程一起的，會產(chǎn)生新的垃圾，就叫浮動垃圾
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會產(chǎn)生碎片化的空間：標(biāo)記清除的缺點
G1
全稱：Garbage-First
G1 回收的目標(biāo)不再是整個新生代或者是老年代。G1 可以回收堆內(nèi)存的任何空間來進行，不再是根據(jù)年代來區(qū)分，而是那塊空間垃圾多就去回收，通過 Mixed GC 的方式去進行回收。
先看下堆空間的劃分：
G1 垃圾回收器把堆劃分成大小相同的 Region，每個 Region 都會扮演一個角色，分別為 H、S、E、O。
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E 代表伊甸區(qū)
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S 代表 Survivor 區(qū)
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H 代表的是 Humongous 區(qū)
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O 代表 Old 區(qū)
G1 的工作流程圖:
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初始標(biāo)記：標(biāo)記出來 GC Roots 能直接關(guān)聯(lián)到的對象，修改 TAMS 的值以便于并發(fā)回收時新對象分配
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并發(fā)標(biāo)記：根據(jù)剛剛關(guān)聯(lián)的對像掃描整個對象引用圖，和用戶線程并發(fā)執(zhí)行，記錄 SATB(原始快照) 在并發(fā)時有引用的值
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最終標(biāo)記：處理第二步遺留下來的少量 SATB(原始快照) 記錄，會發(fā)生 STW
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篩選回收：維護之前提到的優(yōu)先級列表，根據(jù)優(yōu)先級列表、用戶設(shè)置的最大暫停時間來回收 Region
特點:
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并行與并發(fā)：G1 能充分利用多 CPU、多核環(huán)境下的硬件優(yōu)勢，可以通過并發(fā)的方式讓 Java 程序繼續(xù)執(zhí)行，進一步縮短 STW 的時間。
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分代收集：分代概念在 G1 中依然得以保留，它能夠采用不同的方式去處理新創(chuàng)建的對象和已經(jīng)存活了一段時間、熬過多次 GC 的舊對象來獲得更好的收集效果。
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空間整合：G1 從整體上看是基于標(biāo)記-整理算法實現(xiàn)的，從局部(兩個 Region 之間)上看是基于復(fù)制算法實現(xiàn)的，G1 運行期間不會產(chǎn)生內(nèi)存空間碎片。
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可預(yù)測停頓：G1 比 CMS 厲害在能建立可預(yù)測的停頓時間模型，能讓使用者明確指定在一個長度為 M 毫秒的時間片段內(nèi)，消耗在垃圾收集上的時間不得超過 N 毫秒。
7、內(nèi)存分配與回收策略
上文說的一直都是回收內(nèi)存的內(nèi)容，那么怎么給對象分配內(nèi)存呢？
堆空間的結(jié)構(gòu)：
Eden 區(qū)
研究表明，有將近 98%的對象是朝生夕死，所以針對這一現(xiàn)狀，大多數(shù)情況下，對象會在新生代 Eden 區(qū)中進行分配。
當(dāng) Eden 區(qū)沒有足夠空間進行分配時，虛擬機會發(fā)起一次 Minor GC，Minor GC 相比 Major GC 更頻繁，回收速度也更快。
通過 Minor GC 之后，Eden 會被清空，Eden 區(qū)中絕大部分對象會被回收，而那些無需回收的存活對象，將會進到 Survivor 的 From 區(qū)（若 From 區(qū)不夠，則直接進入 Old 區(qū)）。
Survivor 區(qū)
Survivor 區(qū)相當(dāng)于是 Eden 區(qū)和 Old 區(qū)的一個緩沖，Survivor 又分為 2 個區(qū)，一個是 From 區(qū)，一個是 To 區(qū)。每次執(zhí)行 Minor GC，會將 Eden 區(qū)和 From 存活的對象放到 Survivor 的 To 區(qū)（如果 To 區(qū)不夠，則直接進入 Old 區(qū)）。
問題 1:為什么需要 Survivor？
如果沒有 Survivor 區(qū)，Eden 區(qū)每進行一次 Minor GC，存活的對象就會被送到老年代，老年代很快就會被填滿。而有很多對象雖然一次 Minor GC 沒有消滅，但其實或許第二次，第三次就需要被清除。
這時候移入老年區(qū)，很明顯不是一個明智的決定。
所以，Survivor 的存在意義就是減少被送到老年代的對象，進而減少老年代 GC 的發(fā)生。Survivor 的預(yù)篩選保證，只有經(jīng)歷 15 次 Minor GC 還能在新生代中存活的對象，才會被送到老年代。
問題 2:為什么需要 From 和 To 兩個呢？
這種機制最大的好處就是可以解決內(nèi)存碎片化，整個過程中，永遠有一個 Survivor 區(qū)是空的，另一個非空的 Survivor 區(qū)是無碎片的。
假設(shè)只有一個 Survivor 區(qū)。
Minor GC 執(zhí)行后，Eden 區(qū)被清空了，存活的對象放到了 Survivor 區(qū)，而之前 Survivor 區(qū)中的對象，可能也有一些是需要被清除的。
那么問題來了，這時候我們怎么清除它們？
在這種場景下，我們只能標(biāo)記清除，而我們知道標(biāo)記清除最大的問題就是內(nèi)存碎片，在新生代這種經(jīng)常會消亡的區(qū)域，采用標(biāo)記清除必然會讓內(nèi)存產(chǎn)生嚴(yán)重的碎片化。
因為 Survivor 有 2 個區(qū)域，所以每次 Minor GC，會將之前 Eden 區(qū)和 From 區(qū)中的存活對象復(fù)制到 To 區(qū)域。第二次 Minor GC 時，To 區(qū) 到 From 區(qū) ，以此反復(fù)。
Old 區(qū)
老年代占據(jù)著 2/3 的堆內(nèi)存空間，只有在 Major GC 的時候才會進行清理，每次 GC 都會觸發(fā)“Stop-The-World”。內(nèi)存越大，STW 的時間也越長，所以內(nèi)存也不僅僅是越大就越好。
由于復(fù)制算法在對象存活率較高的老年代會進行很多次的復(fù)制操作，效率很低，所以在這里老年代采用的是標(biāo)記整理算法。
下面三種情況也會直接進入老年代：
大對象
大對象指需要大量連續(xù)內(nèi)存空間的對象，這部分對象不管是不是“朝生夕死”，都會直接進到老年代。這樣做主要是為了避免在 Eden 區(qū)及 2 個 Survivor 區(qū)之間發(fā)生大量的內(nèi)存復(fù)制。當(dāng)你的系統(tǒng)有非常多“朝生夕死”的大對象時，需要注意。
長期存活對象
虛擬機給每個對象定義了一個對象年齡 Age 計數(shù)器。正常情況下對象會不斷的在 Survivor 的 From 區(qū)與 To 區(qū)之間移動，對象在 Survivor 區(qū)中每經(jīng)歷一次 Minor GC，年齡就增加 1 歲。當(dāng)年齡增加到 15 歲時，這時候就會被轉(zhuǎn)移到老年代。
動態(tài)對象年齡
虛擬機并不重視要求對象年齡必須到 15 歲，才會放入老年區(qū)，如果 Survivor 空間中相同年齡所有對象大小的總合大于 Survivor 空間的一半，年齡大于等于該年齡的對象就可以直接進去老年區(qū)。
空間分配擔(dān)保
在發(fā)生 Minor GC 之前，虛擬機會先檢查老年代最大可用的連續(xù)空間是否大于新生代所有對象總空間。
如果條件成立的話，Minor GC 是可以確保安全的。
如果不成立，則虛擬機會查看 HandlePromotionFailure 設(shè)置是否擔(dān)保失敗，如果允許，那么會繼續(xù)檢查老年代最大可用的連續(xù)空間是否大于歷次晉升到老年代對象的平均大小。
如果大于，嘗試進行一次 Minor GC。
如果小于或者 HandlePromotionFailure 不允許，則進行一次 Full GC。
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