jvm基础篇之垃圾回收[2](垃圾回收算法)

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垃圾回收算法核心思想

• 垃圾回收要做的有两件事：第一，找到内存中存活的对象；第二，释放不再存活对象的内存，使得程序能再次利用该空间
  

垃圾回收算法的历史

• 1960年John McCarthy发布了第一个GC算法：标记-清除算法
• 1963年Marvin L. Minsky 发布了复制算法。
• 本质上后续所有的垃圾回收算法，都是在上述两种算法的基础上优化而来

垃圾回收算法的评价标准

• Java垃圾回收过程会通过单独的GC线程来完成。所有的GC算法，都会有部分阶段需要停止所有的用户线程，进行垃圾回收。这个过程被称之为Stop The World简称STW，如果STW时间过长则会影响用户的使用。
  

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垃圾回收算法的评价标准

1. 吞吐量：吞吐量指的是 CPU 用于执行用户代码的时间与 CPU 总执行时间的比值，即$吞吐量=执行用户代码时间/（执行用户代码时间+GC时间）$。
   • 吞吐量数值越高，垃圾回收的效率就越高.比如：虚拟机总共运行了 100 分钟，其中GC花掉 1 分钟，那么吞吐量就是 99%
2. 最大暂停时间：最大暂停时间指的是所有在垃圾回收过程中的STW时间最大值。最大暂停时间越短，用户使用系统时受到的影响就越短。
   
3. 堆使用效率：不同垃圾回收算法，对堆内存的使用方式是不同的。比如标记清除算法，可以使用完整的堆内存。而复制算
   法会将堆内存一分为二，每次只能使用一半内存。从堆使用效率上来说，标记清除算法要优于复制算法
   

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• ==上述三种评价标准：堆使用效率、吞吐量，以及最大暂停时间不可兼得。==一般来说，堆内存越大，最大暂停时间就越长。想要减少最大暂停时间，就会降低吞吐量。
• 不同的垃圾回收算法，适用于不同的场景。没有最好的垃圾回收算法之说，只有不同场景下更合适的回收算法。

垃圾分类算法分类

标记清除算法

核心思想

• 标记清除算法的核心思想分为两个阶段：第一标记阶段和第二清除阶段。
  1. 标记阶段，将所有存活的对象进行标记。Java中使用可达性分析算法，从GC Root开始通过引用链遍历出有存活对象。
  2. 清除阶段，从内存中删除没有被标记也就是非存活对象
     

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标记清除算法优缺点

• 优点：实现简单，只需要在第一阶段给每个对象维护标志位，第二阶段删除对象即可
• 缺点：碎片化问题；分配速度慢
  1. 碎片化问题：由于内存是连续的，在对象被删除后，内存中会出现很多细小的可用内存单元。对象需要一个比较大的空间，很有可能这些内存单元的大小过小无法进行分配。
     
  2. 分配速度慢：由于内存碎片的存在，需要维护一个空闲链表，可能每次需要遍历到链表的最后才能获得合适的内存空间
     

复制算法

核心思想

• 复制算法的核心思想是：准备两块空间From空间和To空间，每次在对象分配阶段，只能使用其中一块空间（From空间）。在垃圾回收GC阶段，将From中存活对象复制到To空间。将两块空间的From和To名字互换。
  

完整案例

完整的复制算法的例子：

1. 将堆内存分割成两块From空间 To空间，对象分配阶段，创建对象
2. GC阶段开始，将GC Root搬运到To空间
3. 将GC Root关联的对象，搬运到To空间
4. 清理From空间，并把名称互换
   

复制算法的优缺点

• 优点：吞吐量高、不会发生碎片化
  • 吞吐量高：复制算法只需遍历一次存活对象复制到To空间即可，比标记-整理算法少一次遍历的过程，因而性能较好，但是不如标记-清除算法，因为标记清除算法不需要进行对象的移动
  • 不会发生碎片化：复制算法在复制之后就会将对象按顺序放入To空间中，所以对象以外的区域都是可用空间，不存在碎片化内存空间
• 缺点：内存使用效率低
  • 每次只能让一半的内存空间来为创建对象使用

标记整理算法

• 标记整理算法也叫标记压缩算法，是对标记清理算法中容易产生内存碎片问题的一种解决方案。

核心思想

• 核心思想分为两个阶段：标记阶段和整理阶段
  1. 标记阶段，将所有存活的对象进行标记。Java中使用可达性分析算法，从GC Root开始通过引用链遍历出所有存活对象
  2. 整理阶段，将存活对象移动到堆的一端。清理掉存活对象的内存空间。
     

标记整理算法优缺点

• 优点：内存使用效率高、不会发生碎片化
  • 内存使用效率高：整个堆内存都可以使用，不会像复制算法只能使用半个堆内存
  • 不会发生碎片化：在整理阶段可以将对象往内存的一侧进行移动，剩下的空间都是可以分配对象的有效空间
• 缺点：整理阶段效率不高
  • 整理算法有很多种，比如Lisp2整理算法需要对整个堆中的对象搜索3次，整体性能不佳。可以通过TwoFinger、表格算法、ImmixGC等高效的整理算法优化此阶段的性能

分代垃圾回收算法

• 现代优秀的垃圾回收算法，会将上述描述的垃圾回收算法组合进行使用，其中应用最广的就是分代垃圾回收算法(Generational GC)。
• 分代垃圾回收将整个内存区域划分为年轻代和老年代
  

arthas查看分代内存情况

1. 在JDK8中，添加-XX:+UseSerialGC参数使用分代回收的垃圾回收器，运行程序。
2. 在arthas中使用memory命令查看内存，显示出三个区域的内存情况
   

核心思想

• 分代回收时，创建出来的对象，首先会被放入Eden伊甸园区。随着对象在Eden区越来越多，如果Eden区满，新创建的对象已经无法放入，就会触发年轻代的GC，称为Minor GC或者Young GC。Minor GC会把需要eden中和From需要回收的对象回收，把没有回收的对象放入To区。接下来，S0会变成To区，S1变成From区。当eden区满时再往里放入对象，依然会发生Minor GC。此时会回收eden区和S1(from)中的对象，并把eden和from区中剩余的对象放入S0。
• 注意：每次Minor GC中都会为对象记录他的年龄，初始值为0，每次GC完加1。
  

• 如果Minor GC后对象的年龄达到阈值（最大15，默认值和垃圾回收器有关），对象就会被晋升至老年代
  
• 当老年代中空间不足，无法放入新的对象时，先尝试minor gc如果还是不足，就会触发Full GC，Full GC会对整个堆进行垃圾回收。
  如果Full GC依然无法回收掉老年代的对象，那么当对象继续放入老年代时，就会抛出Out Of Memory异常。
  

虚拟机内存参数

• 根据以下虚拟机参数，调整堆的大小并观察结果。注意加上-XX:+UseSerialGC

参数名	参数含义	示例
-Xms	设置堆的最小和初始大小，必须是1024倍数且大于1MB	比如初始大小6MB的写法： -Xms6291456、-Xms6144k、-Xms6m
-Xmx	设置最大堆的大小，必须是1024倍数且大于2MB	比如最大堆80 MB的写法：-Xmx83886080、-Xmx81920k、-Xmx80m
-Xmn	新生代的大小	新生代256 MB的写法：-Xmn256m、-Xmn262144k、-Xmn268435456
-XX:SurvivorRatio	伊甸园区和幸存区的比例，默认为8新生代1g内存，伊甸园区800MB,S0和S1各100MB	比例调整为4的写法：-XX:SurvivorRatio=4
-XX:+PrintGCDetails/verbose:gc	打印GC日志	无

StopWorldTest案例代码

import lombok.SneakyThrows;
import java.util.LinkedList;
import java.util.List;

/**
 * STW测试
 */
public class StopWorldTest {
    public static void main(String[] args) {
        new PrintThread().start();
        new ObjectThread().start();
    }
}

class PrintThread extends Thread{

    @SneakyThrows
    @Override
    public void run() {
        //记录开始时间
        long last = System.currentTimeMillis();
        while(true){
            long now = System.currentTimeMillis();
            System.out.println(now - last);
            last = now;
            Thread.sleep(100);
        }
    }
}

class ObjectThread extends Thread{

    @SneakyThrows
    @Override
    public void run() {
        List<byte[]> bytes = new LinkedList<>();
        while(true){
            //最多存放8g，然后删除强引用，垃圾回收时释放8g
            if(bytes.size() >= 80){
                bytes.clear();
            }
            bytes.add(new byte[1024 * 1024 * 100]);
            Thread.sleep(10);
        }
    }
}

GC案例1

import java.io.IOException;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

/**
 * 垃圾回收器案例1
 */
//-XX:+UseSerialGC  -Xms60m -Xmn20m -Xmx60m -XX:SurvivorRatio=3  -XX:+PrintGCDetails
//-XX:+UseParNewGC -XX:+UseConcMarkSweepGC  -XX:ConcGCThreads
//-XX:+UseParallelGC  -XX:+UseParallelOldGC
public class GcDemo1 {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        List<Object> list = new ArrayList<>();
        int count = 0;
        while (true){
            System.in.read();
            System.out.println(++count);
            //每次添加1m的数据
            list.add(new byte[1024 * 1024 * 1]);
        }
    }
}

GC案例2

/**
 * 垃圾回收器案例2
 */
//-XX:+UseSerialGC -Xmn10m -Xmx30m -XX:SurvivorRatio=8  -XX:+PrintGCDetails -verbose:gc
public class GcDemo2 {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        List<Object> list = new ArrayList<>();
        int count = 0;
        while (true){
            System.in.read();
            System.out.println(++count);
            //每次添加1m的数据
            list.add(new byte[1024 * 1024 * 1]);
        }
    }
}