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本文對JVM垃圾回收機制做了詳細解釋，從"where"、"whice"、"when"、"why"、"how"、"who"的角度，重點介紹JVM垃圾回收機制的觸發機制、垃圾判斷算法、垃圾回收算法和垃圾回收機制。

1. Where：回收哪里的東西？——JVM內存分配
2. Which：內存對象中誰會被回收？——GC分代思想
- 2.1 年輕代/老年代/永久代
- 2.2 內存細分
3. When：什么時候回收垃圾？——GC觸發條件
4. Why：憑什么說它是垃圾？——垃圾判斷算法
- 4.1 引用計數法
- 4.2 可達性分析法
5. How：如何對待垃圾？——垃圾回收算法
- 5.0 垃圾的垂死掙扎
- 5.1 標記-清除算法
- 5.2 標記-整理算法
- 5.3 復制算法
- 5.4 分代收集算法
6. Who：誰去處理垃圾？——垃圾回收器
- 6.1 年輕代-Serial收集器
- 6.2 年輕代-ParNew收集器
- 6.3 年輕代-Parallel Scavenge收集器
- 6.4 老年代-SerialOld收集器
- 6.5 老年代-ParallelOld收集器
- 6.6 老年代-CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器
- 6.7 年輕代和老年代-G1（Garbage First）收集器
- 6.8 垃圾回收器對比圖
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參考資料

1. Where：回收哪里的東西？——JVM內存分配

JVM垃圾回收機制（Garbage Collect，簡稱GC）主要負責回收JVM內存當中未被及時釋放回收的內存區域，JVM垃圾回收機制讓程序員擺脫了手動釋放內存的操作，降低了程序員疏忽大意導致的風險。
那么，垃圾回收機制到底針對哪一塊的內存空間進行處理呢？是整體內存還是某一塊內存？
在回答這個問題之前，我們需要先了解一下JVM內存分配機制，JVM內存分配機制主要有如下幾個區域：

棧（Stack）
堆（Heap）
方法區（Method Area）
本地方法棧（Native Method Stack）
程序計數器（PC）
我們需要知道的是，棧、本地方法棧、程序計數器和方法調用有關，是線程私有的，隨著方法結束，棧和本地方法棧的棧幀會出棧，釋放內存，因此，這三部分并不需要使用垃圾回收機制。
而堆主要存放對象實例和數組，而方法區存放類的信息、編譯信息、常量池等，這兩塊區域由于是線程共享的，在方法調用結束之后也不會被釋放內存（畢竟A用完了，不知道B、C、D會不會用到這部分）需要使用垃圾回收機制進行內存回收。

關于每個區域的具體內容，可參考博客：【后端面經-Java】JVM內存分區詳解

因此，內存回收機制主要針對堆和方法區進行處理。

2. Which：內存對象中誰會被回收？——GC分代思想

2.1 年輕代/老年代/永久代

JVM垃圾回收機制中，一般都是基于GC分代思想進行算法設計。
GC機制將內存內容分為三部分：

年輕代（Young Generation）：新產生的實例基本上都處于這代，因為新產生的實例大部分都是一次性的，因此這部分內存需要經常進行內存回收；
老年代（Old Generation）：在新生代殘酷頻繁的篩選機制中，多次存活下來的實例會進入老年代，老年代意味著生命周期較長，一般在內存沒有滿之前不會對這部分內存進行回收；
永久代（Permanent Generation，JCK1.8之后改成元空間（Metaspace））：永久代存放的是JVM程序運行相關的元數據，比如類信息、方法信息、常量池等，內容重要且占空間小，因此基本上不會進行垃圾回收。

如果要類比的話，年輕代就是剛剛步入職場的小青年，不穩定性較高，很容易被裁員（垃圾回收），而熬過這個階段，成為技術骨干（老年代）之后，基本上不會在正常公司運行過程中被裁員，除非公司倒閉（內存已滿），而永久代或者元空間就是公司最高層的管理人員，對公司的運行起著關鍵作用，一般情況下不會被裁員。

2.2 內存細分

堆和方法區
堆中存放年輕代和老年代，而方法區中存放永久代。
新生代區域細分
新生代區域又分為Eden區、Survivor0區和Survivor1區，比例為8:1:1。

整體內存細分情況如圖所示：
【后端面經-Java】JVM垃圾回收機制

3. When：什么時候回收垃圾？——GC觸發條件

GC按照觸發條件，可分為Scavenge GC和Full GC。

Scavenge GC（Minor GC）
Scavenge GC是指年輕代Eden區的垃圾回收，觸發條件為：
- 年輕代Eden區域內存不足
  - 調用Scavenge GC之后，將未清理的元素放入Survivor0區域。如果Survivor0區域內存不足，則將Survivor0區域內存中的所有元素放入Survivor1區域。清空Survivor0區域，然后將Survivor1中的元素放入Survivor0中；
  - 如果Survivor1區域內存不足，則將Survivor1區域內存中的所有元素放入老年代中；
  - 如果老年代也內存不足，則會考慮觸發Full GC。
Full GC（Major GC）
Full GC是整體對內存的垃圾回收，包括年輕代和老年代，觸發條件為：
- 老年代內存不足
- 永久代內存不足
- 顯性調用system.gc()
- 上次GC之后堆內存的劃分出現變化

對于GC線程，其本身的優先級比較低，因此在CPU空閑的時候，可能會進行GC處理，而在忙時基本上不會進行GC處理，除非此時內存空間不足，需要GC處理之后才能正常運行。
Full GC對于計算資源是一個很大的消耗，應該盡量避免使用Full GC。

4. Why：憑什么說它是垃圾？——垃圾判斷算法

前面主要介紹了JVM垃圾回收機制的針對對象，GC分代思想和觸發條件。那么，好好的一個對象實例，GC機制空口無憑憑什么說它是垃圾呢？這就需要垃圾判斷算法了。
常見的垃圾判斷方法有兩種：引用計數法和可達性分析法。

4.1 引用計數法

每個對象實例都有一個引用計數器，當有一個引用指向該對象實例時，引用計數器加1，當引用失效時，引用計數器減1，當引用計數器為0時，該對象實例就是垃圾，需要進行回收。
補充一下JVM的引用類型，如下圖所示：
優點：判斷邏輯簡單；
缺點：無法解決循環引用的問題(從圖論角度來說就是環狀節點無法識別)。

4.2 可達性分析法

將每個實例看作節點，兩個實例之間的引用關系看作路徑。從GC Roots開始，對堆內存中的對象進行遍歷，如果某個對象實例沒有被遍歷到，則說明該對象實例不可達，不可達則是垃圾，對其進行垃圾標記，等待后續回收（非連通圖查找連通子圖的數量）。
GC Roots指的是正在運行的程序中一些基本對象，從這些對象往下查找其引用對象，包括如下幾種：
- 虛擬機棧（棧幀中的本地變量表）中引用的對象
- 方法區中類靜態屬性引用的對象
- 方法區中常量引用的對象
- 本地方法棧中JNI（Native方法）引用的對象
優點：能有效解決循環引用的問題；
缺點：判斷邏輯復雜，需要遍歷整個內存空間，效率較低。

5. How：如何對待垃圾？——垃圾回收算法

常見的垃圾回收算法包括：標記-清除算法、標記-整理算法、復制算法和分代收集算法（自適應算法）。

5.0 垃圾的垂死掙扎

在被處決之前，垃圾會進行一次垂死掙扎，實例第一次被標記為垃圾之后，如果可以進行一次有效finalize()方法調用，和其他實例建立引用，那么該實例就會被復活，不會被回收。

5.1 標記-清除算法

在垃圾判斷算法執行完成后，已經被明確判斷成垃圾的實例，清除法在原地釋放其內存空間，將其標記為可用空間，等待后續的內存分配。

優點：操作簡單，原地清除不需要復制內存
缺點：會產生內存碎片，長期運行會影響CPU運行效率

5.2 標記-整理算法

標記-整理算法在標記完成之后，將所有存活的實例移動到一端，然后清除掉另一端的內存空間，這樣就可以有效解決內存碎片的問題。

優點：無內存碎片；
缺點：需要移動實例，效率較低；

5.3 復制算法

復制算法將內存空間分為兩塊，每次只使用其中一塊，當一塊內存空間內存滿了之后，將存活的實例復制到另一塊內存空間中，然后清除掉之前的內存空間。

優點：無內存碎片，操作簡單；標記和復制可并行；
缺點：可用內存空間直接減半，內存利用率較低；

5.4 分代收集算法

針對不同代的數據特點，使用不同的垃圾回收算法。

年輕代：復制算法
- 存活對象較少，復制算法每次的對象復制不會有太大負擔；
- 操作頻繁，復制算法標記和復制可并發處理，效率較高；
老年代：標記-整理算法
- 存活對象較多，減少內存碎片，提高可用性
永久代（元空間）：不作考慮

6. Who：誰去處理垃圾？——垃圾回收器

垃圾回收器是垃圾回收算法的執行者，常見的垃圾回收器如下圖所示：
【后端面經-Java】JVM垃圾回收機制

連線部分說明這兩個垃圾回收器能夠搭配使用。

6.1 年輕代-Serial收集器

回收算法：復制算法
單線程：執行回收算法的時候是單線程；適用于并發能力較低的系統。
Stop the World：一般線程和回收線程無法并行，執行回收算法需要中斷其他線程，這個現象稱為Stop the World（亂入Dio的“咋瓦魯多”）。
- Stop the World現象會導致系統暫停，引出垃圾收集停頓時間這一參數，影響用戶體驗，因此需要盡量避免；
優點：簡單高效，適用于單核CPU；
缺點：無法并行，且單線程處理效率較低；
啟用方式：-XX:+UseSerialGC

6.2 年輕代-ParNew收集器

回收算法：復制算法
多線程：執行回收算法的時候是多線程；
也會存在Stop the World現象，除了多線程的改進之外，和Serial收集器沒有太大區別；
優點：多線程處理效率高，適用于多核CPU；
缺點：一般線程和回收線程無法并行處理；
啟用方式：-XX:+UseParNewGC

6.3 年輕代-Parallel Scavenge收集器

回收算法：復制算法

關注吞吐量

吞吐量 = 用戶線程運行時間 / （用戶線程運行時間 + 垃圾回收線程運行時間）

相關參數
- 1. 垃圾收集停頓時間
  - 設置方式：-XX:MaxGCPauseMillis=一個數值
  - 停頓時間過大將會直接影響每次垃圾回收的用戶體驗，停頓時間過小則會導致垃圾回收頻繁；
- 1. 吞吐量大小
  - 設置方式：-XX:GCTimeRatio=一個數值
  - 默認取值為99%，表示只有1%的時間用于垃圾回收；
- 1. 自適應模式
  - 設置方式：-XX:+UseAdaptiveSizePolicy
  - 設置自適應模式之后，內存中的新生代分配比例和老年代的時間參數可自行調整，達到吞吐量、停頓時間和內存占用的平衡；
是JDK1.8的默認垃圾回收器
啟用方式：-XX:+UseParallelGC

6.4 老年代-SerialOld收集器

回收算法：標記-整理算法
單線程，可類比年輕代的Serial收集器，優缺點同理
CMS收集器的后備算法

6.5 老年代-ParallelOld收集器

回收算法：標記-壓縮算法
關注吞吐量，可類比年輕代的Parallel Scavenge收集器
多線程，線程數通過-XX:ParallelGCThreads設置，默認為CPU核心數
啟用方式：-XX:+UseParallelOldGC

6.6 老年代-CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器

回收算法：標記-清除算法
關注停頓時間，期望有較短的垃圾回收停頓時間，從而優化用戶體驗；
回收步驟：
- 初始標記：適用可達性分析法的思想，標記GC Roots能直接關聯到的對象，速度較快；
- 并發標記：一般線程和回收線程并行，對此時標記狀態出現變化的實例進行統計；
- 重新標記：根據并發標記的結果，對標記狀態發生變化的實例進行重新標記，這一步相對較慢；
- 并發清除：清理垃圾實例，釋放內存空間；這一步可以和一般線程并行；
相關參數：
- 觸發閾值：
  - 設置方式：-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=一個數值
  - 和之前討論的何時進行垃圾回收的觸發機制不同，CMS在處理老年代的時候，不會等到內存完全占滿，而是會設置一個閾值，默認數值為68%，占用內存空間超過這個閾值就進行垃圾回收處理。
- 整理標記
  - 設置方式：-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection
  - 如果設置這一標記，則垃圾回收之后會進行一次整理，合并內存碎片。
優點：并發收集，提高執行效率；減少停頓時間，用戶體驗佳
缺點：無法處理浮動垃圾，對CPU資源敏感，且標記清除算法會產生內存碎片

6.7 年輕代和老年代-G1（Garbage First）收集器

回收算法：整體來看是標記-整理算法，局部來看是復制算法
關注停頓時間，也關注高吞吐量（我全都要.jpg）；
分區：不同于之前所討論的分代劃分內存區域的方式，G1回收器將內存劃分為一個又一個單元區域，稱為Region，
- 設置方式：-XX:G1HeapRegionSize=一個數值
- 每個分區內部可以存放年輕代或者老年代的數據，根據不同的存放數據，將分區劃分為四類：
  - E-Eden區：存放年輕代當中Eden區域的數據；
  - S-Survivor區：存放年輕代當中Survivor區域(survivor0和survivor1)的數據；
  - O-Old：存放老年代的一般數據；
  - H-Humongous：存放老年代當中大對象的數據；當占據整個Region一半以上的時候，就會被劃分為Humongous區域；
停頓預測模型：用戶可以自行設置垃圾回收停頓時間，而G1回收器會根據歷史數據構建預測模型，考慮為了滿足用戶設置的停頓時間，本次垃圾回收可以處理哪幾個Region。
Region優先級隊列：G1瀏覽器維護一個Region隊列，高價值的Region有更高的優先級，在垃圾回收的時候優先處理，這也是Garbage First名字的由來。
回收步驟（和CMS回收器類似）：
- 初始標記
- 并發標記
- 重新標記
- 并發清除
優點：并發操作，并行收集，提高執行效率；關注停頓時間，可預測停頓時間，優化用戶體驗；可處理浮動垃圾，不會產生內存碎片；