快速入门JVM第三讲——你得知道啥是GC？

今天药忘吃喽~ 2023-06-19 04:21 88阅读 0赞

首先来看看以下四道面试题，你觉得自己能解决几道面试题。

*  JVM内存模型以及分区，需要详细到每个区放什么；
 *  堆里面的分区：Eden，survival（from/to），老年代（养老区），各自的特点；
 *  GC的三种收集算法：标记清除、标记整理、复制算法的原理与特点，分别用在什么地方；
 *  Minor GC与Full GC分别在什么时候发生。

相信看过我前面文章的同学，除了第三道面试题之外，其余的面试题都已了然于心，我在这里并不会过多赘述，至于第三道面试题，相信你读完本讲，在心中就知道答案了。说白了，本讲就是围绕这道面试题展开的！

# GC是什么？ #

首先，我们得知道GC是什么？GC就是分代收集算法。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9saWF5dW4uYmxvZy5jc2RuLm5ldA_size_16_color_FFFFFF_t_70]

# GC的作用区域 #

GC的作用区域如下图所示。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9saWF5dW4uYmxvZy5jc2RuLm5ldA_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

# GC中的四大算法 #

## GC算法的总体概述 ##

先看下面这张图，接着我会比照着这张图来讲。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9saWF5dW4uYmxvZy5jc2RuLm5ldA_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
JVM在进行GC时，并非每次都对上面三个内存区域一起回收的，大部分时候回收的都是指新生代。因此GC按照回收的区域又分了两种类型，一种是普通GC（Minor GC），一种是全局GC（Major GC or Full GC）。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9saWF5dW4uYmxvZy5jc2RuLm5ldA_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

## 详述四大算法 ##

### 引用计数法 ###

如何来理解引用计数法呢？可以这样来理解：我们可能会在程序中new出来一个一个的对象，它既然叫做引用计数法，那么就应该是这些个对象中都会有一个一个的计数器，即每一个对象都会有一个计数器，但凡有人引用了一个对象，那么这个对象的计数器里面的数字就自增。什么样的对象，JVM会把它回收掉呢？当该对象的计数器变为0的时候，没人用的时候，JVM就可以把它回收掉了。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9saWF5dW4uYmxvZy5jc2RuLm5ldA_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]  
引用计数法也有其缺点，它的缺点如下：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9saWF5dW4uYmxvZy5jc2RuLm5ldA_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]  
我们来看看第二个缺点，较难处理循环引用，也就是说引用计数法不适用于双向循环引用的案例，就像下面这样。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9saWF5dW4uYmxvZy5jc2RuLm5ldA_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]  
温馨提示：JVM的实现一般不采用这种方式了，也就是说它已经被淘汰了。

### 复制算法（Copying） ###

年轻代中使用的是Minor GC，这种GC算法采用的就是复制算法（Copying）。

#### 原理 ####

先看下下面这张图。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9saWF5dW4uYmxvZy5jc2RuLm5ldA_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]  
Minor GC会把Eden中的所有活的对象都移到Survivor区域中，如果Survivor区中放不下，那么剩下的活的对象就被移到Old Generation中，也即一旦收集后，Eden是就变成空的了。  
当对象在Eden（包括一个Survivor区域，这里假设是from区域）出生后，在经过一次Minor GC后，如果对象还存活，并且能够被另外一块Survivor区域所容纳（上面已经假设为了from区域，所以这里应为to区域，即to区域有足够的内存空间来存储Eden和from区域中存活的对象），则使用复制算法将这些仍然还存活的对象复制到另外一块Survivor区域（即to区域）中，然后清理所使用过的Eden以及Survivor区域（即from区域），并且将这些对象的年龄设置为1，以后对象在Survivor区每熬过一次Minor GC，就将对象的年龄+1，当对象的年龄达到某个值时（默认是15岁，通过参数`-XX:MaxTenuringThreshold`可以设置对象在新生代中存活的次数)，这些对象就会成为老年代。  
你看到这里，有没有什么感想呢？其实缓解OOM还有另外一种方式，即把新生区到养老区的这个门槛调高点，怎么调呢？通过`-XX:MaxTenuringThreshold`来设定参数继而就能调高点了，比如调到30岁，但一般很少有人去动这个参数，一般用默认的就行，都是通过扩展JVM的内存大小去调整。

#### 优缺点 ####

年轻代中的GC主要是复制算法（Copying）。HotSpot JVM把年轻代分为了三部分：1个Eden区和2个Survivor区（又分别叫from区和to区），默认比例为8:1:1。一般情况下，新创建的对象都会被分配到Eden区（一些大对象特殊处理），这些对象经过第一次Minor GC后，如果仍然存活，将会被移到Survivor区。对象在Survivor区中每熬过一次Minor GC，年龄就会增加1岁，当它的年龄增加到一定程度时，就会被移动到年老代中。因为年轻代中的对象基本都是朝生夕死的（90%以上），所以在**年轻代的垃圾回收算法使用的是复制算法，复制算法的基本思想就是将内存分为两块，每次只用其中一块，当这一块内存用完，就将还活着的对象复制到另外一块上面**。**复制算法的第一个优点：它不会产生内存碎片**。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9saWF5dW4uYmxvZy5jc2RuLm5ldA_size_16_color_FFFFFF_t_70 8]  
从上图中，我们还能发现复制算法的第二个优点：由于没有标记和清楚的过程，所以它的效率会更高。  
在GC开始的时候，对象只会存在于Eden区和名为"from"的Survivor区，名为"to"的Survivor区是空的。紧接着进行GC，Eden区中所有存活的对象都会被复制到"to"区，而在"from"区中，仍存活的对象会根据他们的年龄值来决定去向。年龄达到一定值（年龄阈值，可以通过`-XX:MaxTenuringThreshold`来设置）的对象会被移动到年老代中，没有达到阈值的对象会被复制到"to"区域。经过这次GC后，Eden区和from区已经被清空。这个时候，“from"和"to"会交换他们的角色，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"，不管怎样，都会保证名为"to"的Survivor区域是空的。Minor GC会一直重复这样的过程，直到"from"区被填满，"from"区被填满之后，会将所有对象移动到年老代中。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9saWF5dW4uYmxvZy5jc2RuLm5ldA_size_16_color_FFFFFF_t_70 9]  
因为Eden区对象一般存活率较低，一般的，使用两块10%的内存作为空闲和活动区间，而另外80%的内存，则是用来给新建对象分配内存的。一旦发生GC，将10%的from活动区间与另外80%中存活的Eden对象转移到10%的to空闲区间，接下来，将之前90%的内存全部释放，以此类推。这里用一张动图来演示一下所谓的复制算法。  
![在这里插入图片描述][20191204172059208.gif]  
经过上面的讲述，你能总结出复制算法的缺点吗？复制算法的缺点有如下两点：

1.  它浪费了一半的内存，这太要命了。怎么理解这一点呢？说白了，复制算法需要两片内存，这是有点太浪费了。如果说新生区存活率比较高，存活的对象比较多，那么在这块中多了一倍的内存，确实是有点受不了。但是别忘了这一点，复制算法使用的地方是新生区，而新生区的特点就是存活率比较低，就算是需要两倍的内存，那也不会占用太大的量，所以这就是为什么新生区中对应的幸存from区、幸存to区都是很小的一块，原因就在这儿，因为存活下来的对象确实很少，就算是两倍的内存，也是可以接受的；
2.  如果对象的存活率很高，我们可以极端一点，假设是100%存活，那么我们需要将所有对象都复制一遍，并将所有引用地址重置一遍。复制这一工作所花费的时间，在对象存活率达到一定程度时，将会变的不可忽视。所以从以上描述不难看出，**复制算法要想使用，最起码对象的存活率要非常低才行**，而且最重要的是，我们必须要克服50%内存的浪费。

### 标记清除算法（Mark-Sweep） ###

老年代一般是由标记清除或者是标记清除与标记整理的混合实现。

#### 原理 ####

先看下下面这张图。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9saWF5dW4uYmxvZy5jc2RuLm5ldA_size_16_color_FFFFFF_t_70 10]  
当堆中的有效内存空间（available memory）被耗尽的时候，就会停止整个程序（也被称为stop the world），然后进行两项工作，第一项则是标记，第二项则是清除。

*  标记：从引用根节点开始标记所有被引用的对象。标记的过程其实就是遍历所有的GC Roots，然后将所有GC Roots可达的对象标记为存活的对象；
 *  清除：遍历整个堆，把未标记的对象清除。

用通俗的话来解释一下标记清除算法，就是在程序运行期间，若可以使用的内存被耗尽的时候，GC线程就会被触发并将程序暂停，随后将依旧存活的对象标记一遍，最终再将堆中所有没被标记的对象全部清除掉，接下来便让程序恢复运行。这里用一张动图来演示一下所谓的标记清除算法。  
![在这里插入图片描述][20191204185759374.gif]

#### 优缺点 ####

从下图不难看出标记清除算法的优缺点。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9saWF5dW4uYmxvZy5jc2RuLm5ldA_size_16_color_FFFFFF_t_70 11]  
优点是不需要额外的空间。缺点也很显而易见，有如下两点：

1.  首先，它的第一个缺点就是效率比较低（递归与全堆对象遍历），而且在进行GC的时候，需要停止应用程序，这会导致用户体验非常差劲。**温馨提示：但凡JVM在做标记清除算法的时候，也就是Full GC的时候，功能一定要暂时停一下，即使是对用户的体验不太友好，因为功能暂时不能用了。**
2.  其次，它的第二个缺点则是这种方式清理出来的**空闲内存是不连续的**，这点不难理解，我们的死亡对象都是随机的出现在内存的各个角落的，现在把它们清除之后，内存的布局自然会乱七八糟。而为了应付这一点，JVM就不得不维持一个内存的空闲列表，这又是一种开销。而且在分配数组对象的时候，寻找连续的内存空间会不太好找。

总结一下标记清除算法的缺点，其实就是这样一句话：**此算法需要暂停整个应用，会产生内存碎片。**

### 标记压缩算法（Mark-Compact） ###

老年代一般是由标记清除或者是标记清除与标记整理的混合实现。

#### 原理 ####

先看下下面这张图。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9saWF5dW4uYmxvZy5jc2RuLm5ldA_size_16_color_FFFFFF_t_70 12]  
在整理压缩阶段，不再对未标记的对像做回收，而是通过所有存活对像都向一端移动，然后直接清除边界以外的内存。可以看到，标记的存活对象将会被整理，按照内存地址依次排列，而未被标记的内存会被清理掉。如此一来，当我们需要给新对象分配内存时，JVM只需要持有一个内存的起始地址即可，这比维护一个空闲列表显然少了许多开销。

#### 优缺点 ####

标记压缩算法不仅可以弥补标记清除算法当中内存区域分散的缺点，也消除了复制算法当中，内存减半的高额代价，这应该就是其优点。标记压缩算法唯一的缺点就是效率也不高，不仅要标记所有存活对象，还要整理所有存活对象的引用地址，从效率上来说，标记压缩算法要低于复制算法。

### 标记清除压缩算法（Mark-Sweep-Compact） ###

标记清除压缩算法其实不算是GC中的一种，它只不过是标记清除算法和标记压缩算法的结合，也就是把标记清除算法和标记压缩算法混合到一块使用，多次清除之后才压缩。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9saWF5dW4uYmxvZy5jc2RuLm5ldA_size_16_color_FFFFFF_t_70 13]  
真实情况下，在养老区都是这么混合着去使用标记清除算法和标记压缩算法。啥子意思呢？出现多次标记清除之后，这个内存空间就千疮百孔了，到处都是内存碎片，之后怎么做呢？统一做一次标记压缩就可以了。下面用一张动图来演示一下所谓的标记清除压缩算法。  
![在这里插入图片描述][20191204185852468.gif]

## 总结 ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9saWF5dW4uYmxvZy5jc2RuLm5ldA_size_16_color_FFFFFF_t_70 14]  
可以看出，从效率上来说，复制算法是当之无愧的老大，但是却浪费了太多内存，而为了尽量兼顾上面所提到的三个指标，标记压缩算法相对来说更平滑一些，但效率上依然不尽如人意，它比复制算法多了一个标记的阶段，又比标记清除算法多了一个整理内存的过程。难道就没有一种最优算法吗？猜猜看，答案是无，没有最好的算法，只有最合适的算法。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9saWF5dW4uYmxvZy5jc2RuLm5ldA_size_16_color_FFFFFF_t_70 15]  
基于上面的考虑，老年代一般是由标记清除或者是标记清除与标记压缩的混合实现。以HotSpot中的CMS回收器为例（只限于Java8），CMS是基于Mark-Sweep实现的，对于对象的回收效率很高，而对于碎片问题，CMS采用基于Mark-Compact算法的Serial Old回收器做为补偿措施：当内存回收不佳（碎片导致的Concurrent Mode Failure时），将采用Serial Old执行Full GC以达到对老年代内存的整理。

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