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Java GC垃圾回收幾乎是面試必問(wèn)的JVM問(wèn)題之一，本篇文章帶領(lǐng)大家了解Java GC的底層原理，圖文并茂，突破學(xué)習(xí)及面試瓶頸。
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楔子-JVM內(nèi)存結(jié)構(gòu)補(bǔ)充
JVM中堆的結(jié)構(gòu)圖
圖中展示了堆中三個(gè)區(qū)域：Eden、From Survivor、To Survivor。從圖中可以也可以看到它們的大小比例，準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)是：8:1:1。為什么要這樣設(shè)計(jì)呢，本篇文章后續(xù)會(huì)給出解答，還是根據(jù)垃圾回收的具體情況來(lái)設(shè)計(jì)的。
還記得在設(shè)置JVM時(shí)，常用的類(lèi)似-Xms和-Xmx等參數(shù)嗎？對(duì)的它們就是用來(lái)說(shuō)設(shè)置堆中各區(qū)域的大小的。
控制參數(shù)詳解：
- -Xms設(shè)置堆的最小空間大小。
- -Xmx設(shè)置堆的最大空間大小。
- -Xmn堆中新生代初始及最大大?。∟ewSize和MaxNewSize為其細(xì)化）。
- -XX:NewSize設(shè)置新生代最小空間大小。
- -XX:MaxNewSize設(shè)置新生代最大空間大小。
- -XX:PermSize設(shè)置永久代最小空間大小。
- -XX:MaxPermSize設(shè)置永久代最大空間大小。
- -Xss設(shè)置每個(gè)線程的堆棧大小。
對(duì)照上面兩個(gè)圖，再來(lái)看這些參數(shù)是不是沒(méi)有之前那么枯燥了，它們?cè)趫D中都有了對(duì)應(yīng)的位置。
有沒(méi)有發(fā)現(xiàn)沒(méi)有直接設(shè)置老年代空間大小的參數(shù)？我們通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算獲得。
老年代空間大小=堆空間大小-年輕代大空間大小對(duì)上面參數(shù)立即了，但記憶有困難？那么，以下幾個(gè)助記詞可能更好的幫你記憶和理解參數(shù)的含義。
Xmx（memory maximum）, Xms（memory startup）, Xmn（memory nursery/new）, Xss（stack size）。
對(duì)于參數(shù)的格式可以這樣理解：
- -: 標(biāo)準(zhǔn)VM選項(xiàng)，VM規(guī)范的選項(xiàng)。
- -X: 非標(biāo)準(zhǔn)VM選項(xiàng)，不保證所有VM支持。
- -XX: 高級(jí)選項(xiàng)，高級(jí)特性，但屬于不穩(wěn)定的選項(xiàng)。
GC概述
垃圾收集（Garbage Collection）通常被稱(chēng)為“GC”，由虛擬機(jī)“自動(dòng)化”完成垃圾回收工作。
思考一個(gè)問(wèn)題，既然GC會(huì)自動(dòng)回收，開(kāi)發(fā)人員為什么要學(xué)習(xí)GC和內(nèi)存分配呢？為了能夠配置上面的參數(shù)配置？參數(shù)配置又是為了什么？
“當(dāng)需要排查各種內(nèi)存溢出，內(nèi)存泄露問(wèn)題時(shí)，當(dāng)垃圾成為系統(tǒng)達(dá)到更高并發(fā)量的瓶頸時(shí)，我們就需要對(duì)GC的自動(dòng)回收實(shí)施必要的監(jiān)控和調(diào)節(jié)。”
JVM中程序計(jì)數(shù)器、虛擬機(jī)棧、本地方法棧3個(gè)區(qū)域隨線程而生隨線程而滅。棧幀隨著方法的進(jìn)入和退出做入棧和出棧操作，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)的內(nèi)存清理。它們的內(nèi)存分配和回收都具有確定性。
因此，GC垃圾回收主要集中在堆和方法區(qū)，在程序運(yùn)行期間，這部分內(nèi)存的分配和使用都是動(dòng)態(tài)的。
下面通過(guò)概念和具體的算法來(lái)了解GC垃圾回收的過(guò)程。
如何判斷對(duì)象存活
判斷對(duì)象常規(guī)有兩種方法：引用計(jì)數(shù)算法和可達(dá)性分析算法（Reachability Analysis）。
引用計(jì)數(shù)算法：給對(duì)象添加一個(gè)引用計(jì)數(shù)器，每當(dāng)有一個(gè)地方引用它時(shí)計(jì)數(shù)器加1，引用釋放時(shí)計(jì)數(shù)減1，當(dāng)計(jì)數(shù)器為0時(shí)可以回收。
引用計(jì)數(shù)算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，判斷高效，在微軟COM和Python語(yǔ)言等被廣泛使用，但在主流的Java虛擬機(jī)中沒(méi)有使用該方法，主要是因?yàn)闊o(wú)法解決對(duì)象相互循環(huán)引用的問(wèn)題。
可達(dá)性分析算法：基本思想是通過(guò)一系列稱(chēng)為“GC Root”的對(duì)象（如系統(tǒng)類(lèi)加載器、棧中的對(duì)象、處于激活狀態(tài)的線程等）作為起點(diǎn)，基于對(duì)象引用關(guān)系，開(kāi)始向下搜索，所走過(guò)的路徑稱(chēng)為引用鏈，當(dāng)一個(gè)對(duì)象到GC Root沒(méi)有任何引用鏈相連，證明對(duì)象是不可用的。
上圖中中綠色部分為存活對(duì)象，灰色部分為可回收對(duì)象。雖然灰色部分內(nèi)部依舊有關(guān)聯(lián)，但它們到GC Root是不可達(dá)的。
面試問(wèn)題
面試官，說(shuō)說(shuō)Java GC都用了哪些算法？分別應(yīng)用在什么地方？
答：復(fù)制算法、標(biāo)記清除、標(biāo)記整理……
你還在單純的死記硬背么？繼續(xù)往下看，你會(huì)豁然開(kāi)朗，再也不用死記硬背了。
標(biāo)記清除算法
標(biāo)記清除（Mark-Sweep）算法，包含“標(biāo)記”和“清除”兩個(gè)階段：首先標(biāo)記出所有需要回收的對(duì)象，在標(biāo)記完成后統(tǒng)一回收掉所有被標(biāo)記的對(duì)象。
標(biāo)記清除算法是最基礎(chǔ)的收集算法，后續(xù)的收集算法都是基于該思路并對(duì)其缺點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)而得到的。
主要缺點(diǎn)：一個(gè)是效率問(wèn)題，標(biāo)記和清除過(guò)程的效率都不高；另外是空間問(wèn)題，標(biāo)記清除之后會(huì)產(chǎn)生大量不連續(xù)的內(nèi)存碎片，空間碎片太多可能會(huì)導(dǎo)致，當(dāng)程序在以后的運(yùn)行過(guò)程中需要分配較大對(duì)象時(shí)無(wú)法找到足夠的連續(xù)內(nèi)存而不得不提前觸發(fā)另一次垃圾收集動(dòng)作。
復(fù)制算法
復(fù)制（Copying）算法：將可用內(nèi)存按容量劃分為大小相等的兩塊，每次只使用其中的一塊。當(dāng)一塊內(nèi)存用完了，就將還存活著的對(duì)象復(fù)制到另外一塊上，然后清理掉前一塊。
每次對(duì)半?yún)^(qū)內(nèi)存回收時(shí)、內(nèi)存分配時(shí)就不用考慮內(nèi)存碎片等復(fù)雜情況，只要移動(dòng)堆頂指針，按順序分配內(nèi)存即可，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，運(yùn)行高效。
缺點(diǎn)：將內(nèi)存縮小為一半，性價(jià)比低，持續(xù)復(fù)制長(zhǎng)生存期的對(duì)象則導(dǎo)致效率低下。
JVM堆中新生代便采用復(fù)制算法?；氐阶畛跬品峙浣Y(jié)構(gòu)圖。
在GC回收過(guò)程中，當(dāng)Eden區(qū)滿時(shí)，還存活的對(duì)象會(huì)被復(fù)制到其中一個(gè)Survivor區(qū)；當(dāng)回收時(shí)，會(huì)將Eden和使用的Survivor區(qū)還存活的對(duì)象，復(fù)制到另外一個(gè)Survivor區(qū)，然后對(duì)Eden和用過(guò)的Survivor區(qū)進(jìn)行清理。
如果另外一個(gè)Survivor區(qū)沒(méi)有足夠的內(nèi)存存儲(chǔ)時(shí)，則會(huì)進(jìn)入老年代。
這里針對(duì)哪些對(duì)象會(huì)進(jìn)入老年代有這樣的機(jī)制：對(duì)象每經(jīng)歷一次復(fù)制，年齡加1，達(dá)到晉升年齡閾值后，轉(zhuǎn)移到老年代。
在這整個(gè)過(guò)程中，由于Eden中的對(duì)象屬于像浮萍一樣“瞬生瞬滅”的對(duì)象，所以并不需要1：1的比例來(lái)分配內(nèi)存，而是采用了8：1：1的比例來(lái)分配。
而針對(duì)那些像“水熊蟲(chóng)”一樣，歷經(jīng)多次清理依舊存活的對(duì)象，則會(huì)進(jìn)入老年代，而老年的清理算法則采用下面要講到的“標(biāo)記整理算法”。
標(biāo)記整理算法
標(biāo)記整理（Mark-Compact）算法：標(biāo)記過(guò)程與“標(biāo)記-清除”算法一樣，但后續(xù)步驟不是直接對(duì)可回收對(duì)象進(jìn)行清理，而是讓所有存活的對(duì)象都向一端移動(dòng)，然后直接清理掉端邊界以外的內(nèi)存。
這種算法不既不用浪費(fèi)50%的內(nèi)存，也解決了復(fù)制算法在對(duì)象存活率較高時(shí)的效率低下問(wèn)題。
分代收集算法
分代收集算法，基本思路：將Java的堆內(nèi)存邏輯上分成兩塊，新生代和老年代，針對(duì)不同存活周期、不同大小的對(duì)象采取不同的垃圾回收策略。
而在新生代中大多數(shù)對(duì)象都是瞬間對(duì)象，只有少量對(duì)象存活，復(fù)制較少對(duì)象即可完成清理，因此采用復(fù)制算法。而針對(duì)老年代中的對(duì)象，存活率較高，又沒(méi)有額外的擔(dān)保內(nèi)存，因此采用標(biāo)記整理算法。
其實(shí)，回頭看，分代收集算法就是對(duì)新生代和老年代算法從策略維度的規(guī)劃而已。
小結(jié)
至此，當(dāng)面試官再問(wèn)Java GC都用到了哪些垃圾回收算法和分別應(yīng)用在什么場(chǎng)景下的問(wèn)題，再也不用死記硬背了吧？
網(wǎng)站題目：面試官，不要再問(wèn)我“JavaGC垃圾回收機(jī)制”了
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