垃圾回收的常见算法
垃圾回收的常见算法
自动化的管理内存资源，垃圾回收机制必须要有一套算法来进行计算，那些是有效的对象，那些是无效的对象，对于无效的对象
就要进行回收处理。
常见的垃圾回收算法有 ：引用计数法、标记清除法、标记压缩法、复制算法、分代算法等。
2.1.1 原理
假设有一个对象a，任何一个对象对a的引用，那么对象a的引用计数器+1，当引用失败时，对象a的引用计数器就-1，如果对象a的计算器的值 为0，就说明对象a没有引用了，可以被回收。如图所示
2.1.2 优缺点
优点 ： 1、实时性较高，无需等到内存不够的时候，才开始回收，运行时根据对象的计数器是否为0，就可以直接回收。 2、在垃圾回收过程中，应用无需挂起。如果申请内存时，内存不足，则立刻报outofmember错误。 3、区域性，更新对象的计数器时，只是影响到该对象，不会扫描全部对象。 缺点 ： 1、每次对象呗引用时，都需要去更新计数器，有一点时间开销。 2、浪费cpu资源，即使内存够用，任然在运行时进行计数器的统计。 3、无法解决循环引用问题。（最大的缺点）
虽然a和b都为null，但是由于a和b存在循环引用，这样a和b永远都不回被回收。
这张图代表的是程序运行期间所有对象的状态，它们的标志位全部是0（也就是未标记，以下默认0就是未标记，1为已标记），
假设这会儿有效内存空间耗尽了，jvm将会停止应用程序的运行并开启gc线程，然后开始进行标记工作，按照根搜索算法，标记完以后，对象的状态如下图。
可以看到，按照根搜索算法，所有从root对象可达的对象就被标记为存活的对象，此时已经完成了第一阶段标记。接下来，就要
执行第二阶段清除了，那么清除完以后，剩下的对象以及对象的状态如下图所示。
可以看到，没有被标记的对象将会回收清除掉，而被标记的对象将会留下，并且会将标记重新归0.接下来就不用说了，唤醒停止
的程序线程，让程序继续运行即可。
可以看到，标记清除算法解决了引用计数算法中的循环引用的问题，没有从root节点引用的对象都会被回收。同样，标记清除算法也是有缺点的 ：
1、效率较低，标记和清除两个动作都需要遍历所有的对象，并且在gc时，需要停止应用程序，对于交互性要求比较高的应用
而言这个体验是非常差的。
2、通过标记清除算法清理出来的内容，碎片化较为严重，因为被回收的对象可能存在于内存的各个角落，所以清理出来的内存是不连贯的。
标记压缩算法是在标记清除算法的基础之上，做了优化改进的算法。和标记清除算法一样，也是从根节点开始，对对象的引用进行标记，在清理阶段，并不是简单的清理未标记的对象，而是将存活的对象压缩到内存的一端，然后清理边界以外的垃圾，从而解决了碎片化的问题。
优缺点同标记清除算法，解决了标记清除算法的碎片化的问题，同时，标记压缩算法多了一步，对象移动内存位置的步骤，其效率也有一定的影响。
复制算法的核心就是，将原有的内存空间一分为二，每次只用其中的一块，在垃圾回收时，将正在使用的对象复制到另一个内存空间中，然后将该内存空间清空，交换两个内存的角色，完成垃圾的回收。
如果内存中的垃圾对象较多，需要复制的对象就较少，这种情况下适合使用该方式并且效率比较高，反之，则不适合。
1、在gc开始的时候，对象只会存在于eden区和名为“from”的survivor区，survivor区“to”是空的。
2、紧接着进行gc，eden区中所有存活的对象都会被复制到“to”，而在“from”区中，仍存活的对象会根据它们的年龄值来决定去向。年龄达到一定值（年龄阀值，可以通过-xx:maxtenuringthreshold来设置）的对象会被移动到年老代中，没有达到阀值的对象会被复制到“to”区域。
3、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。
4、gc会一直重复这样的过程，直到“to”区被填满，“to”区被填满之后，会将所有对象移动到年老代中。
2.4.2 优缺点
优点 ： 1、在垃圾对象多的情况下，效率较高。 2、清理后，内存无碎片。 缺点 ： 1、在垃圾对象少的情况下，不适用，如 ：老年代内存。 2、分配的2块内存空间，在同一时刻，只能使用一半，内存使用率较低。
2.5 分代算法
前面介绍了很多种回收算法，每一种算法都有自己的优点也有缺点，谁都不能替代谁，所以根据垃圾回收对象的特点进行选择，才是明智的选择。 分代算法其实就是这样的，根据回收对象的特点进行选择，在jvm中，年轻代适合使用复制算法，老年代适合使用标记清除或标记压缩算法。
在jvm中，实现了多种垃圾收集器，包括 ：串行垃圾收集器、并行垃圾收集器、cms（并发）垃圾收集器、g1垃圾收集器。
串行垃圾收集器，是指使用单线程进行垃圾回收，垃圾回收时，只有一个线程在工作，并且java应用中的所有线程都要暂停，等待垃圾回收的完成。这种现象称之为stw （stop-the-world）
对于交互性较强的应用而言，这种垃圾收集器是不能够接受的。
一般在javaweb应用中是不会采用该收集器的。
3.1.2 设置垃圾回收为串行收集器
在程序运行参数中添加2个参数，如下 ： -xx:+useserialgc : 指定年轻代和老年代都使用串行垃圾收集器 -xx:+printgcdetails : 打印垃圾回收的详细信息 为了测试gc，将堆的初始和最大内存都设置为16m -xx:+useserialgc -xx:+printgcdetails -xms16m -xmx16m 启动程序，可以看到下面信息 ：
gc日志信息解读 ： 年轻代的内存gc前后的大小 ： defnew : 表示使用的是串行垃圾收集器。 allocation failure : 表示内存分配失败。 4416k -> 512k(4928k) : 表示，年轻代gc前，占有4416k内存，gc后，占有512k内存，总大小4928k。 0.0046102 secs : 表示gc所用的时间，单位为毫秒。 4416k->1973k(15872k) : 表示，gc前，堆内存占有4416k，gc后，占有1973k，总大小为15872k。 full gc ：表示，内存空间全部进行gc
3.2 并行垃圾收集器
并行垃圾收集器在串行垃圾收集器的基础之上做了改进，将单线程改为了多线程进行垃圾回收，这样可以缩短垃圾回收的时间。（这里是指， 并行能力较强的机器） 当然了，并行垃圾收集器在收集的过程中也会暂停应用程序，这个和串行垃圾回收器是一样的，只是并行执行，速度更快些，暂停的时间 更短一些。
3.2.1 parnew垃圾收集器
parnew垃圾收集器是仅仅工作在年轻代上，只是将串行的垃圾收集器改为了并行。 通过-xx:+useparnewgc参数设置年轻代使用parnew回收器，老年代使用的依然是串行收集器。
参数 ：
-xx:+useparnewgc -xx:+printgcdetails -xms16m -xmx16m
打印出的信息
由以上信息可以看出，parnew : 使用的是parnew收集器。其他信息和串行收集器一致。
3.2.2 parallelgc垃圾收集器
parallelgc收集器工作机制和parnewgc收集器一样，只是在此基础之上新增了两个和系统吞吐量相关的参数，使得其使用起来更加的灵 活和高效。 相关参数如下 ： -xx:+useparellelgc 年轻代使用parallelgc垃圾回收器，老年代使用串行回收器。 -xx:+useparalleloldgc 年轻代使用parallelgc垃圾回收器，老年代使用paralleloldgc垃圾回收器。 -xx:maxgcpausemillis 设置最大的垃圾收集时的停顿时间，单位为毫秒。 需要注意的是，parallelgc为了达到设置的停顿时间，可能会调整堆大小或其他的参数，如果堆的大小设置的较小，就会导致gc工作 变的很频繁，反而可能会影响到性能。 该参数使用需谨慎。 -xx:+gctimeratio 设置垃圾回收时间占程序运行时间的百分比，公式为1/(1 + n)。 它的值为0 ~ 100之间的数字，默认值是99，也就是垃圾回收时间不能超过1%。 -xx:useadaptivesizepolicy 自适应gc模式，垃圾回收器将自动调整新生代、老年代等参数，达到吞吐量、堆大小、停顿时间之间的平衡。 一般用于，手动调整参数比较困难的场景，让收集器自动进行调整。
参数 ： -xx:+useparallelgc -xx:+useparalleloldgc -xx:maxgcpausemillis=100 -xx:+printgcdetails -xms16m -xmx16m
有以上信息可以看出，年轻代和老年代都使用了parallelgc垃圾回收器。
3.3 cms垃圾收集器
cms全称concurrent mark sweep，是一款并发的、使用标记-清除算法的垃圾回收器，该回收器是针对老年代垃圾回收的，通过参数-xx:+ useconcmarksweepgc进行设置。 cms垃圾回收器的执行过程如下 ：
初始化标记（cms-initial-mark），标记root，会导致stw； 并发标记（cms-concurrent-mark），与用户线程同时运行； 预清理（cms-concurrent-preclean），与用户线程同时运行； 重新标记（cms-remark），会导致stw； 并发清除（cms-concurrent-sweep），与用户线程同时运行； 调整堆大小，设置cms在清理之后进行内存压缩，目的是清理内存中的碎片； 并发重置状态等待下次cms的触发（cms-concurrent-reset），与用户线程同时运行；
由以上日志信息，可以看出cms执行的过程。
3.4 g1垃圾收集器（重点）
g1垃圾收集器是在jdk1.7中正式使用的全新的垃圾收集器，oracle官方计划在jdk9中将g1变成默认的垃圾 收集器，以替代cms。 g1的设计原则就是简化jvm性能调优，开发人员只需要简单的三步即可完成调优 ： 1. 第一步，开启g1垃圾收集器 2. 第二步，设置堆的最大内存 3. 第三部，设置最大的停顿时间 g1中提供了三种模式垃圾回收模式，young gc、mixed gc和full gc，在不同的条件下被触发。
3.4.1 原理
g1垃圾收集器相对比其他收集器而言，最大的区别在于它取消了年轻代、老年代的物理划分，取而代之的是将堆划分为若 干个区域（region），这些区域中包含了有逻辑上的年轻代、老年代区域。 这样做的好处就是，我们再也不用单独的空间对每个代进行设置了，不用担心每个代内存是否足够。
在g1划分的区域中，年轻代的垃圾收集依然采用暂停所有应用线程的方式，将存活对象拷贝到老年代或者survivor空间，g1 收集器通过将对象从一个区域复制到另外一个区域，完成了清理工作。 这就意味着，在正常的处理过程中，g1完成了堆的压缩（至少是部分堆的压缩），这样也就不会有cms内存碎片问题的存在了。 在g1，有一个特殊的区域，叫humongous区域。 如果一个对象占用的空间超过了分区容量50%以上，g1收集器就认为这是一个巨型对象。 这些巨型对象，默认直接会被分配在老年代，但是如果它是一个短期存在的巨型对象，就会对垃圾收集器造成影响。 为了解决这个问题，g1划分了一个humongous区，它用来专门存放巨型对象。如果一个h区装不下一个巨型对象，那么g1 会寻找连续的h分区来存储。为了能找到连续的h区，有时候不得不启动full gc。
young gc主要是对eden区进行gc，它在eden空间耗尽时会被触发。
eden空间的数据移动到survivor空间中，如果survivor空间不够，eden空间的部分数据会直接晋升到年老代空间。
survivor区的数据移动到新的survivor区中，也有部分数据晋升到老年代空间中。
最终eden空间的数据为空，gc停止工作，应用线程继续执行。
3.4.2.1 remembered set（已记忆集合）
在gc年轻代的对象时，我们如何找到年轻代中对象的根对象呢？ 根对象可能是在年轻代中，也可以在老年代中，那么老年代中的所有对象都是根么？ 如果全量扫描老年代，那么这样扫描下来会耗费大量的时间。 于是，g1引进了rset的概念。它的全称是remenbreed set，其作用是跟踪指向某个堆内的对象引用。
每个region初始化时，会初始化一个rset，该集合用来记录并跟踪其它region指向该region中对象的引用，每个region默认 按照512kb划分成多个card，所以rset需要记录的东西应该是xx region的xx card。 每个rset集合就是记录每个region中对象被引用的信息。这样寻找根对象时直接扫描rset集合就行。
3.4.3 mixed gc
当越来越多的对象晋升到老年代old region时，为了避免堆内存被耗尽，虚拟机会触发一个混合的垃圾收集器，即mixed gc， 该算法并不是一个old gc，除了回收整个youngregin，还会回收一部分的old region，这里需要注意 ：是一部分老年代，而 不是全部老年代，可以选择那些old region进行收集，从而可以对垃圾回收的耗时时间进行控制。也要注意的是mixed gc并不是 full gc。 mixed gc什么时候触发？由参赛-xx:initiatingheapoccupancypercent=n 决定。默认 ：45%，该参数的意思是 ：当老年代大小 占整个堆大小百分比达到该阀值时触发。 它的gc步骤分2步 ： 1 . 全局并发标记（global concurrent marking） 2 . 拷贝存活对象（evacuation）
3.4.3.1 全局并发标记
全局并发标记，执行过程分为五个步骤 ： 初始标记（initial mark,stw） 标记从根节点直接可达的对象，这个阶段会执行一次年轻代gc，会产生全局停顿。 根区域扫描（root region scan） g1 gc在初始标记的存活区扫描对老年代的引用，并标记被引用的对象。 该阶段与应用程序（非stw）同时运行，并且只有完成该阶段后，才能开始下一次stw年轻代垃圾回收。 并发标记（concurrent marking） g1 gc在整个堆中查找可访问的（存活的）对象。该阶段与应用程序同时运行，可以被stw年轻代垃圾回收中断。 重新标记（renark，stw） 该阶段是stw回收，因为程序在运行，针对上一次的标记进行修正。 清除垃圾（cleanup，stw） 清除和重置标记状态，该阶段会stw，这个阶段并不会实际上去做垃圾的收集，等待evacuation 阶段来回收。
evacuation阶段是全暂停的。该阶段把一部分region里的活对象拷贝到另一部分region中，从而实现垃圾的回收清理。
3.4.4 g1收集器相关参数
-xx:+useg1gc 使用g1垃圾收集器 -xx:maxgcpausemillis 设置期望达到的最大gc停顿时间指标（jvm会尽力实现，但不保证达到），默认值是200毫秒。 -xx:g1heapregionsize=n 设置的g1区域的大小。值时2的幂，范围是1mb到32mb之间。目标是根据最小的java堆大小划分出约2048个区域。 默认是堆内存的1/2000。 -xx:concgcthreads=n 设置并行标记的线程数。将n设置为并行垃圾回收线程数（parallelgcthreads）的1/4左右。 -xx:initiatingheapoccupancypercent=n 设置触发标记周期的java堆占有率阀值。默认占用率是整个java堆的45%。
3.4.6 对于g1垃圾收集器优化建议
年轻代大小 避免使用-xmn选项或-xx:newratio等其他相关选项显示设置年轻代大小。 固定年轻代的大小会覆盖暂停时间目标。 暂停时间目标不要太过严苛 g1 gc的吞吐量目标是90%的应用程序时间和10%的垃圾回收时间。 评估g1 gc的吞吐量时，暂停时间目标不要太严苛。目标太多严苛表示您愿意承受更多的垃圾回收开销，而这会直接影响到吞吐量。
4.1 gc日志输出参数
前面通过-xx:+printgcdetail可以对gc日志进行打印，我们就可以在控制台查看，这样虽然可以查看gc的信息，但是并不直观，可以借助于 第三方的gc的日志分析工具进行查看。 在日志打印输出设计到的参数如下 ： -xx:+printgc 输出gc日志 -xx:+printgcdetails 输出gc的详细日志 -xx:+printgctimestamps 输出gc的时间戳（以基准时间的形式） -xx:+printgcdatestamps 输出gc的时间戳（以日期的形式，如2013-05-04t21:53:59.234+0800) -xx:+printheapatgc 在进行gc的前后打印出堆的信息 -xloggc:../logs/gc.log 日志文件的输出路径 测试 ： -xx:+useg1gc -xx:maxgcpausemillis=100 -xmx256m -xx:+printgcdetails -xx:+printgctimestamps -xx:+printgcdatestamps -xx:+printheapatgc -xloggc:f://test//gc.log 运行后就可以在f盘下生成gc.log文件。
这个是显示jvm堆的总大小、年轻代大小、老年代大小。
这个是显示gc停顿时间和吞吐率
各个gc执行情况
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