垃圾回收算法

标记-复制

缺点：内存利用率低，有一块区域无法使用。

标记-清除

缺点：

1. 效率问题 (如果需要标记的对象太多，效率不高)

2. 空间问题（标记清除后会产生大量不连续的碎片）

标记-整理

分代收集

        根据对象存活周期的不同将内存分为几块。一般将java堆分为新生代和老年代，这样我们就可以根据各个年代的特点选择合适的垃圾收集算法。

        当前虚拟机的垃圾收集都采用分代收集算法。

垃圾回收器

新生代和老年代使用的垃圾收集器的组合：

Serial收集器

(-XX:+UseSerialGC -XX:+UseSerialOldGC)

特点：

  • 新生代采用复制算法，老年代采用标记-整理算法。
  • "Stop The World"
  • 简单而高效（与其他收集器的单线程相比）

Serial Old收集器是Serial收集器的老年代版本，使用场景：

  • 在JDK1.5以及以前的版本中与Parallel Scavenge收集器搭配使用
  • 另一种用途是作为CMS收集器的后备方案

Parallel Scavenge收集器

(-XX:+UseParallelGC(年轻代),-XX:+UseParallelOldGC(老年代))

  • 新生代采用复制算法，老年代采用标记-整理算法。Serial收集器的多线程版本。
  • "Stop The World"
  • 默认的收集线程数跟cpu核数相同，当然也可以用参数(-XX:ParallelGCThreads)指定收集线程数，但是一般不推荐修改

与其他垃圾收集器比较：

  • Parallel收集器关注点是吞吐量（用户线程的高效率的利用CPU）(缩短垃圾回收时间)。
  • CMS等垃圾收集器的关注点更多的是用户线程的停顿时间（提高用户体验）（stop the world时间）

Parallel Old收集器是Parallel Scavenge收集器的老年代版本，，使用场景：

在注重吞吐量以及CPU资源的场合，都可以优先考虑 Parallel Scavenge收集器和Parallel Old收集器(JDK8默认的新生代和老年代收集器)。

ParNew收集器

(-XX:+UseParNewGC)

  • 新生代采用复制算法
  • 跟Parallel收集器很类似, 但是它只能用于新生代，和CMS收集器配合使用（Parallel收集器不能和CMS配合使用）

CMS收集器

(-XX:+UseConcMarkSweepGC(old))

CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器。它非常符合在注重用户体验的应用上使用，它是HotSpot虚拟机第一款真正意义上的并发收集器，它第一次实现了让垃圾收集线程与用户线程（基本上）同时工作。基于“标记-清除”算法实现。

标记过程：

1. 初始标记：

stop the world, 并记录下gc roots直接能引用的对象（根对象），速度很快。

2. 并发标记：

从GC Roots的直接关联对象开始遍历整个对象图的过程， 这个过程耗时较长但是不需要停顿用户线程。因为用户程序继续运行，可能会有导致已经标记过的对象状态发生改变。出现多标注或者漏标注。

多标注会出现浮动垃圾，可以接受，可以在下一次的gc时回收掉； 漏标注很严重，未标注的会被垃圾回收，JVM不能回收还被引用着的对象。

3. 重新标记：

stop the world，修正并发标记期间因为用户程序继续运行而导致标记产生变动的那一部分对象的标记记录(主要是处理漏标问题)，这个阶段的停顿时间一般会比初始标记阶段的时间稍长，远远比并发标记阶段时间短。主要用到三色标记里的 增量更新算法。

4. 并发清理：

开启用户线程，同时GC线程开始对未标记的区域做清扫。这个阶段如果有新增对象会被标记为黑色不做任何处理。

5. 并发重置：

重置本次GC过程中的标记数据

CMS优点：并发收集、低停顿

CMS缺点：

  1. 对CPU资源敏感（会和服务(用户线程)抢资源）；
  2. 无法处理浮动垃圾(在并发标记和并发清理阶段又产生垃圾，这种浮动垃圾只能等到下一次gc再清理了)；
  3. “标记-清除”算法会导致收集结束时会有大量空间碎片产生，当然通过参数-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection可以让jvm在执行完标记清除后再做整理
  4. 执行过程中的不确定性。会存在上一次垃圾回收还没执行完，然后垃圾回收又被触发的情况，特别是在并发标记和并发清理阶段会出现。因为是 一边回收，系统一边运行，也许没回收完就再次触发full gc，也就是"concurrent mode failure"，此时会进入stop the world，用serial old垃圾收集器来回收

CMS的相关核心参数

1. -XX:+UseConcMarkSweepGC：启用cms

2. -XX:ConcGCThreads：并发的GC线程数

3. -XX:+UseCMSCompactAtFullCollection：FullGC之后做压缩整理（减少碎片）

4. -XX:CMSFullGCsBeforeCompaction：多少次FullGC之后压缩一次，默认是0，代表每次FullGC后都会压缩一次

5. -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction: 当老年代使用达到该比例时会触发FullGC（默认是92，这是百分比）

6. -XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly：只使用设定的回收阈值(-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction设定的值)，如果不指定，JVM仅在第一次使用设定值，后续则会自动调整

7. -XX:+CMSScavengeBeforeRemark：在CMS GC前启动一次minor gc，降低CMS GC标记阶段(也会对年轻代一起做标记，如果在minor gc就干掉了很多对垃圾对象，标记阶段就会减少一些标记时间)时的开销，一般CMS的GC耗时 80%都在标记阶段

8. -XX:+CMSParallellnitialMarkEnabled：表示在初始标记的时候多线程执行，缩短STW

9. -XX:+CMSParallelRemarkEnabled：在重新标记的时候多线程执行，缩短STW;

JVM参数优化

亿级流量电商系统如何优化JVM参数设置(ParNew+CMS)

对于8G内存，我们一般是分配4G内存给JVM，正常的JVM参数配置如下：

-Xms : 堆初始内存大小

-Xmx：最大堆内存大小

-Xmn ： 新生代初始和最大值

-Xss : 每个线程的栈大小

-XX:MetaspaceSize : 初始元空间大小

-XX:MaxMetaspaceSize : 最大元空间大小

-XX:SurvivorRatio : 设置 Eden 区与 Survivor 区的比例

-Xms3072M -Xmx3072M

-Xss1M

-XX:MetaspaceSize=256M

-XX:MaxMetaspaceSize=256M

-XX:SurvivorRatio=8

这样的配置， young =1G  (eden = 819M , survivor = 102M)   old = 2048M= 2G

每秒60M垃圾， 大约819 / 60 = 14s占满eden, 触发minor gc

优化 ： 修改JVM参数

-Xms3072M -Xmx3072M -Xmn2048M

-Xss1M

-XX:MetaspaceSize=256M

-XX:MaxMetaspaceSize=256M

-XX:SurvivorRatio=8

这样的配置， young =2G  (eden =1638M , survivor = 204M)   old = 1G

每秒60M垃圾， 大约1638 / 60 = 27s占满eden, 触发minor gc

JVM优化手段：

1. 无非就是让短期存活的对象尽量都留在survivor里，不要进入老年代，这样在minor gc的时候这些对象都会被回收，不会进到老年代从而导致full gc。

2. 对象年龄应该为多少才移动到老年代比较合适：大多数对象一般在几秒内就会变为垃圾，完全可以将默认的15岁改小一点，比如改为5， 从而减少survivor区的占用。

// 修改移动到老年代判断的标准

-XX:MaxTenuringThreshold=5

-XX:PretenureSizeThreshold=1M    直接晋升老年代的对象大小阈值

3. 如果JVM内存超过4G, 就不适合JDK8默认的垃圾收集器（Parallel Scavenge收集器和Parallel Old收集器）, 考虑使用ParNew + CMS收集器。

参数配置：

-Xms3072M -Xmx3072M -Xmn2048M

-Xss1M

-XX:MetaspaceSize=256M -XX:MaxMetaspaceSize=256M

-XX:SurvivorRatio=8

-XX:MaxTenuringThreshold=5

-XX:PretenureSizeThreshold=1M

-XX:+UseParNewGC

-XX:+UseConcMarkSweepGC // 启用CMS

-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=92

-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection

-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=3

垃圾收集底层算法实现

三色标记

三色标记算法是把Gc roots可达性分析遍历对象过程中遇到的对象， 按照“是否访问过”这个条件标记成以下三种颜色：

1. 黑色： 表示对象已经被垃圾收集器访问过， 且这个对象的所有引用都已经扫描过。黑色表示这个对象是安全存活的。

所有引用： A->B->C， A->D, A的所有引用指的是B和D， 并不包括C.

2. 灰色： 表示对象已经被垃圾收集器访问过， 但这个对象上至少存在一个引用还没有被扫描过。

3. 白色： 表示对象尚未被垃圾收集器访问过。 显然在可达性分析刚刚开始的阶段， 所有的对象都是白色的， 若在分析结束的阶段，仍然是白色的对象， 即代表不可达。

浮动垃圾（多标了存活对象）

        并发标记过程中，被标记了的对象有被用户线程销毁，这部分本应该回收但是没有回收到的内存，被称之为“浮动垃圾”。浮动垃圾并不会影响垃圾回收的正确性，只是需要等到下一轮垃圾回收中才被清除。

        另外，针对并发标记(还有并发清理)开始后产生的新对象，通常的做法是直接全部当成黑色。

读写屏障（漏标了存活对象）

        漏标会导致被引用的对象被当成垃圾误删除，这是严重bug，必须解决，有两种解决方案： 增量更新（Incremental Update） 和原始快照（Snapshot At The Beginning，SATB）。

漏标分析：

在并发标记的过程中，如果出现b.d = null, a.d = D， 就会变成右边的引用链。

按照三色标记算法，A是黑色，表示A已经扫描完成不会再被扫描，此时D并不是垃圾，但是GC root可达性分析并没有标记出D，D是会被回收的，这就是漏标，这是不可接受的。

1. 增量更新（Incremental Update）

        关注增量的引用。当黑色对象插入新的指向白色对象的引用关系时， 就将这个新插入的引用记录用一个集合记录下来， 等并发扫描结束之后， 再将这些记录过的引用关系中的黑色对象为根， 重新扫描一次（重新标记阶段）。 这可以简化理解为， 黑色对象一旦新插入了指向白色对象的引用之后，它就变回灰色对象了。

        通过写屏障实现。

2. 原始快照（Snapshot At The Beginning，SATB）

        关注删除引用。当灰色对象要删除指向白色对象的引用关系时， 就将这个要删除的引用 记录下来（b.d = null , 那么将d记录到集合中）， 在并发扫描结束之后， 再将这些记录过的引用关系中的灰色对象为根， 重新扫描一次，这样就能扫描到白色的对象，将白色对象直接标记为黑色(目的就是让这种对象在本轮gc清理中能存活下来，待下一轮gc的时候重新扫描，这个对象也有可能是浮动垃圾)

        通过写屏障实现。

写屏障

所谓的写屏障，其实就是指在赋值操作前后，加入一些处理（可以参考AOP的概念）：

void oop_field_store(oop* field, oop new_value) {pre_write_barrier(field); // 写屏障-写前操作*field = new_value;post_write_barrier(field, value); // 写屏障-写后操作
}

读屏障

oop oop_field_load(oop* field) {pre_load_barrier(field); // 读屏障-读取前操作return *field;
}

对于读写屏障，以Java HotSpot VM为例，其并发标记时对漏标的处理方案如下：

CMS：写屏障 + 增量更新

G1，Shenandoah：写屏障 + SATB

ZGC：读屏障

为什么G1用SATB？CMS用增量更新？

简单理解：SATB相对增量更新效率会高(当然SATB可能造成更多的浮动垃圾)，因为不需要在重新标记阶段再次深度扫描被删除引用对象，而CMS对增量引用的根对象会做深度扫描，G1因为很多对象都位于不同的region，CMS就一块老年代区域，重新深度扫描对象的话G1的代价会比CMS高，所以G1选择SATB不深度扫描对象，只是简单标记，等到下一轮GC再深度扫描。

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