厚积薄发打卡Day77 ：【MSUP】深入浅出JVM（下）＜常用GC算法及考察点＞

前言

在看狂神频道的时候偶然发现下图，感触颇深。特别在当今【程序 = 业务 + 框架】思想盛行的开发者中，夯实基础基础显得格外重要，因此开此专栏总结记录。

对于对于JVM的学习，由于在工作中的业务场景几乎使用不到，所以总是学了忘忘了学，争取早日理解哈哈，学习博客：

1. 厚积薄发打卡Day62 ：【狂神】狂神JVM快速入门（上）＜从JVM体系到native方法＞
2. 厚积薄发打卡Day63 ：【bugstack & 狂神】狂神JVM快速入门（中）＜从‘程序计数器’到‘Dump内存快照’＞
3. 厚积薄发打卡Day64 ：【狂神 & bugstack】狂神JVM快速入门（下）＜GC机制与算法＞

常用GC算法介绍

分代回收：

前面提到过Java的堆内存被分代管理，那为什么要分代管理呢？分代管理主要是为了方便垃圾回收。

这样做是基于两个事实：

1. 第一是大部分对象很快就不再使用了
2. 第二是还有一部分不会立即无用，但也不会持续很长时间

因此，虚拟机中划分为年轻代、老年代和永久代，我们来看图：

• 年轻代：

  • 主要用来存放新创建的对象
  • 年轻代分为eden 区和两个survival 区，大部分对象在Eden 中生成
  • 当Eden区满时，对象会在两个survival 区交替保存，达到一定次数后，对象会晋升到老年代

• 老年代：

  • 用来存放从年轻代晋升而来的存活时间较长的对象

• 永久代前面也介绍过主要保存类信息等内容

  • 这里的永久代是指对象划分方式，不是专指1.7的Permanent Generation 或者1.8 之后的meta space

• 根据年轻代与老年代的特点：

  • JVM提供了不同的垃圾回收算法：
  • 垃圾回收算法按类型可以分为：
    • 引用计数法
      • 引用计数法是通过对象被引用的次数来确定对象是否还在被使用
      • 缺点是无法解决循环引用的问题
    • 复制法标记
      • 复制算法需要from 和to 两块儿大小相同的内存空间，对象分配时只在form 块中进行
        回收时把存活对象复制到 to 块中，并清空from 块，然后交换两块的分工
      • 把from 块儿作为to块，把to 块儿作为from 块
      • 缺点是内存使用率较低
    • 标记清楚算法：
      • 标记清除算法分为标记对象和清除不再使用的对象两个阶段
      • 标记清除算法的缺点，是会产生内存碎片

• JVM中垃圾回收器

  • 新生代：
    1. Serial
       • 算法：标记-复制算法
       • 说明：简单高效的单核机器，Client 模式下默认新生代收集器；
    2. Parallel ParNew
       • 算法： 标记-复制算法
       • 说明：GC 线程并行版本，在单 CPU 场景效果不突出。常用于 Client 模式 下的 JVM
    3. Parallel Scavenge
       • 算法：标记-复制算法
       • 说明：目标在于达到可控吞吐量（吞吐量=用户代码运行时间/(用户代码运 行时间+垃圾回收时间)）
  • 老年代
    1. Serial Old
       • 算法：标记-压缩算法
       • 说明：性能一般，单线程版本。1.5 之前与 Parallel Scavenge 配合使用；作 为 CMS 的后备预案。
    2. Parallel Old
       • 算法：标记-压缩算法
       • 说明：GC 多线程并行，为了替代 Serial Old 与 Parallel Scavenge 配合使 用。
    3. CMS
       1. 算法：标记-清除算法
       2. 说明：对 CPU 资源敏感、停顿时间长。标记-清除算法，会产生内存碎 片，可以通过参数开启碎片的合并整理。基本已被 G1 取代
  • G1
    • 算法：标记-压缩算法
    • 说明：适用于多核大内存机器、GC 多线程并行执行，低停顿、高回收效率。

垃圾回收算法：

下面我们详细介绍几个典型的垃圾回收算法

cms 回收算法

• CMS 是JDK1.7以前可以说最主流的垃圾回收算法
  • CMS 使用标记清除算法你，优点是并发收集停顿，我们看图中CMS 的处理过程：
    1. CMS 的第一个阶段是初始标记，这个阶段会stop the word 标记的对象只是从root，最直接可达的对象
    2. 第二个阶段是并发标记，这时GC 线程和应用线程并发执行主要是标记可达的对象
    3. 第三个阶段是重新标记阶段，这个阶段是第二个stop the world 阶段，停顿时间比并发标记要小很多，但比初始标记稍长，主要对对象进行重新扫描并标记
    4. 第四个阶段是并发清理阶段进行并发的垃圾清理，最后一个阶段是并发重置阶段，为下一次GC重置相关数据结构

G1算法：

• 这一算法在jdk1.9 后成为了JVM的默认垃圾回收算法
• G1的特点是保持高回收率的同时将，减少停顿记忆算法，取消了追踪年轻代与老年代的物理划分，但它仍然属于分代收集器，这一算法将对于分为若干个区域，称为region
• [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-MOTEJ5Mb-1627385873502)(厚积薄发打卡Day76 ：【MSUP】深入浅出JVM（下）常用GC算法及考察点/
  )]
• 如图中的小方格所示：
  • 一部分区域用作年轻代
  • 一部分用作老年代
  • 还有另外一种专门用来存储巨型对象的分区
• G1和CMS 一样会遍历全部对象，然后标记对象一种情况，在清除对象后会对区域进行复制，移动整合碎片空间
  • 图的右边是这一年轻代与老年代的回收过程：
    • G1的年轻代回收采用复制算法并行进行收集，收集过程会stop the world，这一个老年代回收
    • 同时也会对年轻代进行回收，主要分为四个阶段：
      • 第一个阶段依然是初始标记阶段，完成对根对象的标记这个过程，这时会 stop the word
      • 第二个阶段并发标记阶段，这个阶段是和用户线程并行执行的
      • 第三个阶段最终标记阶段，完成三色标记的标记周期
      • 第四阶段复制/清除阶段，这个阶段会优先对可回收空间较大的region进行回收，即garbage first（G1），这也是记忆名称的由来
  • 这一采用每次只清理一部分，而不是全部religion 的增量式清理，由此来保证每次gc停顿时间不会过长
• 总结一下这一算法，这部分需要掌握
  • 这一是逻辑分代，不是物理分代
  • 需要知道回收的过程和停顿的阶段
  • 此外还需要知道G1算法，允许通过JVM参数设置region 的大小范围是1~32M(兆)
  • 还可以设置期望的最大这些停顿时间等等
  • 如果你有兴趣：也可以对gms 和g1使用的三色标记算法，进行简单的了解

ZGC算法：

• ZGC是最新的JDK1.11中提供的高效垃圾回收算法，ZGC针对大堆内存设计，可以支持tb级别的堆：
  • 它非常高效，能够做到十毫秒以下的回收停顿时间
• 这么短的停顿时间，ZGC是如何做到的呢？

• 我们来了解一下ZGC的黑科技：

  • ZGC使用了着色指针技术，
    • 我们知道，64位平台上一个指针可用位是64位，ZGC限制最大支持4tb的堆，这样寻址只需要使用42位，那么会剩下22位就可以用来保证额外的信息
    • 着色指针技术：就是利用指针的额外信息位在指针上对对象进行着色标记
  • 第二个特点是使用读屏障：
    • ZGC使用读屏障来解决GC线程和应用线程可能并发修改对象状态的问题，而不是简单粗暴的通过stop the world 来做全局的锁定，使用读屏障只会在单个对象的处理上有概率被减速
  • 第三个特点是ZGC的并发处理：
    • 由于读屏障的使用，进行垃圾回收的大部分时候都是不需要stop the world，因此ZGC的大部分时间都是并发处理
  • 第四个特点是基于region
    • 这与G1算法一样，不过虽然也分了region，但是并没有进行分代
    • ZGC的region不像G1那样是固定大小，而是动态决定region 的大小，region 可以动态创建和销毁，这样可以更好地对大对象进行分配管理
  • 第五个特点是压缩整理CMS 算法
    • 清理对象时原地回收，会存在内存碎片问题
    • ZGC 和G1一样，也会在回收后对region 中的对象进行移动合并，解决了碎片问题

• 虽然ZGC的大部分时间是并发进行，但还是会有短暂的停顿，来看一下ZGC的回收过程，这张图是按ZGC的回收时序绘制的：

  

  • 我们从上往下看，初始状态是整个堆空间被划分为大小不等的许多region，即图中绿色的方块
  • 开始进行回收时，ZGC首先会进行一个短暂的stop the world，来进行如此根对象的标记
    • 这个步骤非常短，因为如此的总数量通常比较小，然后就开始进行并发标记
  • 如图，通过对对象指针进行着色来进行标记，结合读屏障解决单个对象的并发问题，其实这个阶段在最后的时候还会有一个非常短的stop the world
    停顿用来处理一些边缘情况
    • 这个阶段绝大部分时间都是并发进行的，所以没有明显标示出这个停顿
  • 下一个阶段是清理阶段
    • 这个阶段会把标记为不可用的对象进行回收，如图，把橘色的不再使用的对象进行了回收
  • 最后一个阶段是重定位，
    • 重定位就是对这些后存活的对象进行移动，来腾出大块的内存空间解决碎片问题，在重定位最开始会有一个短暂的stop the world，用来重定义集合中的root 对象，暂停时间取决于入头的数量和重定位及与对象的总活动级的比率
  • 最后是并发重定位，这个过程也是通过读屏障与应用线程并发进行的

考察点和加分项：

总结一下JVM 相关的面试考察点：

1. 需要理解JVM 的内存模型和java 的内存模型
2. 要了解类的加载过程，了解双亲委派机制
3. 要理解内存的可见性与java 内存模型对原子性可见性，有序性的保证机制
4. 要了解常用的这些算法的特点，执行过程和适用场景
   1. 例如G1适合对最大延迟有要求的场合，ZGC适用于六十四位系统的大内存服务中
5. 要了解常用的JVM参数，明白对不同参数的调整，会有怎样的影响，适用于什么样的场景：
   1. 比如垃圾回收的并发数
   2. 偏向锁的设置等