06 深入剖析：垃圾回收你真的了解吗？（上） 本课时我们重点剖析 JVM 的垃圾回收机制。关于 JVM 垃圾回收机制面试中主要涉及这三个考题：

  • JVM 中有哪些垃圾回收算法？它们各自有什么优劣？
  • CMS 垃圾回收器是怎么工作的？有哪些阶段？
  • 服务卡顿的元凶到底是谁？

虽然 Java 不用“手动管理”内存回收，代码写起来很顺畅。但是你有没有想过，这些内存是怎么被回收的？

其实，JVM 是有专门的线程在做这件事情。当我们的内存空间达到一定条件时，会自动触发。这个过程就叫作 GC，负责 GC 的组件，就叫作垃圾回收器。

JVM 规范并没有规定垃圾回收器怎么实现，它只需要保证不要把正在使用的对象给回收掉就可以。在现在的服务器环境中，经常被使用的垃圾回收器有 CMS 和 G1，但 JVM 还有其他几个常见的垃圾回收器。

按照语义上的意思，垃圾回收，首先就需要找到这些垃圾，然后回收掉。但是 GC 过程正好相反，它是先找到活跃的对象，然后把其他不活跃的对象判定为垃圾，然后删除。所以垃圾回收只与活跃的对象有关，和堆的大小无关。这个概念是我们一直在强调的，你一定要牢记。

本课时将首先介绍几种非常重要的回收算法，然后着重介绍分代垃圾回收的内存划分和 GC 过程，最后介绍当前 JVM 中的几种常见垃圾回收器。

这部分内容比较多，也比较细。为了知识的连贯性，这里我直接将它们放在一个课时。篇幅有点长，你一定要有耐心学完，也希望你可以对 JVM 的了解上一个档次。

为什么这部分这么重要呢？是因为几乎所有的垃圾回收器，都是在这些基本思想上演化出来的，如果你对此不熟悉，那么我们后面讲解 CMS、G1、ZGC 的时候，就会有诸多障碍。这将直接影响到我们对实践课的理解。

标记（Mark）

垃圾回收的第一步，就是找出活跃的对象。我们反复强调 GC 过程是逆向的。

我们在前面的课时谈到 GC Roots。根据 GC Roots 遍历所有的可达对象，这个过程，就叫作标记。

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如图所示，圆圈代表的是对象。绿色的代表 GC Roots，红色的代表可以追溯到的对象。可以看到标记之后，仍然有多个灰色的圆圈，它们都是被回收的对象。

清除（Sweep）

清除阶段就是把未被标记的对象回收掉。

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但是这种简单的清除方式，有一个明显的弊端，那就是碎片问题。

比如我申请了 1k、2k、3k、4k、5k 的内存。

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由于某种原因 ，2k 和 4k 的内存，我不再使用，就需要交给垃圾回收器回收。

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这个时候，我应该有足足 6k 的空闲空间。接下来，我打算申请另外一个 5k 的空间，结果系统告诉我内存不足了。系统运行时间越长，这种碎片就越多。

在很久之前使用 Windows 系统时，有一个非常有用的功能，就是内存整理和磁盘整理，运行之后有可能会显著提高系统性能。这个出发点是一样的。

复制（Copy）

解决碎片问题没有银弹，只有老老实实的进行内存整理。

有一个比较好的思路可以完成这个整理过程，就是提供一个对等的内存空间，将存活的对象复制过去，然后清除原内存空间。

在程序设计中，一般遇到扩缩容或者碎片整理问题时，复制算法都是非常有效的。比如：HashMap 的扩容也是使用同样的思路，Redis 的 rehash 也是类似的。

整个过程如图所示：

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这种方式看似非常完美的，解决了碎片问题。但是，它的弊端也非常明显。它浪费了几乎一半的内存空间来做这个事情，如果资源本来就很有限，这就是一种无法容忍的浪费。

整理（Compact）

其实，不用分配一个对等的额外空间，也是可以完成内存的整理工作。

你可以把内存想象成一个非常大的数组，根据随机的 index 删除了一些数据。那么对整个数组的清理，其实是不需要另外一个数组来进行支持的，使用程序就可以实现。

它的主要思路，就是移动所有存活的对象，且按照内存地址顺序依次排列，然后将末端内存地址以后的内存全部回收。

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我们可以用一个理想的算法来看一下这个过程。 last = 0 for(i=0;i<mems.length;i++){ if(mems[i] != null){ mems[last++] = mems[i] changeReference(mems[last]) } } clear(mems,last,mems.length)

但是需要注意，这只是一个理想状态。对象的引用关系一般都是非常复杂的，我们这里不对具体的算法进行描述。你只需要了解，从效率上来说，一般整理算法是要低于复制算法的。

分代

我们简要介绍了一些常见的内存回收算法，目前，JVM 的垃圾回收器，都是对几种朴素算法的发扬光大。简单看一下它们的特点：

  • 复制算法（Copy）

复制算法是所有算法里面效率最高的，缺点是会造成一定的空间浪费。

  • 标记-清除（Mark-Sweep）

效率一般，缺点是会造成内存碎片问题。

  • 标记-整理（Mark-Compact）

效率比前两者要差，但没有空间浪费，也消除了内存碎片问题。

所以，没有最优的算法，只有最合适的算法。

JVM 是计算节点，而不是存储节点。最理想的情况，就是对象在用完之后，它的生命周期立马就结束了。而那些被频繁访问的资源，我们希望它能够常驻在内存里。

研究表明，大部分对象，可以分为两类：

  • 大部分对象的生命周期都很短；
  • 其他对象则很可能会存活很长时间。

大部分死的快，其他的活的长。这个假设我们称之为弱代假设（weak generational hypothesis）。

接下来划重点。

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从图中可以看到，大部分对象是朝生夕灭的，其他的则活的很久。

现在的垃圾回收器，都会在物理上或者逻辑上，把这两类对象进行区分。我们把死的快的对象所占的区域，叫作年轻代（Young generation）。把其他活的长的对象所占的区域，叫作老年代（Old generation）。

老年代在有些地方也会叫作 Tenured Generation，你在看到时明白它的意思就可以了。

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年轻代

年轻代使用的垃圾回收算法是复制算法。因为年轻代发生 GC 后，只会有非常少的对象存活，复制这部分对象是非常高效的。

我们前面也了解到复制算法会造成一定的空间浪费，所以年轻代中间也会分很多区域。

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如图所示，年轻代分为：一个伊甸园空间（Eden ），两个幸存者空间（Survivor ）。

当年轻代中的 Eden 区分配满的时候，就会触发年轻代的 GC（Minor GC）。具体过程如下：

  • 在 Eden 区执行了第一次 GC 之后，存活的对象会被移动到其中一个 Survivor 分区（以下简称from）；
  • Eden 区再次 GC，这时会采用复制算法，将 Eden 和 from 区一起清理。存活的对象会被复制到 to 区；接下来，只需要清空 from 区就可以了。

所以在这个过程中，总会有一个 Survivor 分区是空置的。Eden、from、to 的默认比例是 8:1:1，所以只会造成 10% 的空间浪费。

这个比例，是由参数 -XX:SurvivorRatio 进行配置的（默认为 8）。

一般情况下，我们只需要了解到这一层面就 OK 了。但是在平常的面试中，还有一个点会经常提到，虽然频率不太高，它就是 TLAB，我们在这里也简单介绍一下。

TLAB 的全称是 Thread Local Allocation Buffer，JVM 默认给每个线程开辟一个 buffer 区域，用来加速对象分配。这个 buffer 就放在 Eden 区中。

这个道理和 Java 语言中的 ThreadLocal 类似，避免了对公共区的操作，以及一些锁竞争。

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对象的分配优先在 TLAB上 分配，但 TLAB 通常都很小，所以对象相对比较大的时候，会在 Eden 区的共享区域进行分配。

TLAB 是一种优化技术，类似的优化还有对象的栈上分配（这可以引出逃逸分析的话题，默认开启）。这属于非常细节的优化，不做过多介绍，但偶尔面试也会被问到。

老年代

老年代一般使用“标记-清除”、“标记-整理”算法，因为老年代的对象存活率一般是比较高的，空间又比较大，拷贝起来并不划算，还不如采取就地收集的方式。

那么，对象是怎么进入老年代的呢？有多种途径。

（1）提升（Promotion）

如果对象够老，会通过“提升”进入老年代。

关于对象老不老，是通过它的年龄（age）来判断的。每当发生一次 Minor GC，存活下来的对象年龄都会加 1。直到达到一定的阈值，就会把这些“老顽固”给提升到老年代。

这些对象如果变的不可达，直到老年代发生 GC 的时候，才会被清理掉。

这个阈值，可以通过参数 ‐XX:+MaxTenuringThreshold 进行配置，最大值是 15，因为它是用 4bit 存储的（所以网络上那些要把这个值调的很大的文章，是没有什么根据的）。

（2）分配担保

看一下年轻代的图，每次存活的对象，都会放入其中一个幸存区，这个区域默认的比例是 10%。但是我们无法保证每次存活的对象都小于 10%，当 Survivor 空间不够，就需要依赖其他内存（指老年代）进行分配担保。这个时候，对象也会直接在老年代上分配。

（3）大对象直接在老年代分配

超出某个大小的对象将直接在老年代分配。这个值是通过参数 -XX:PretenureSizeThreshold 进行配置的。默认为 0，意思是全部首选 Eden 区进行分配。

（4）动态对象年龄判定

有的垃圾回收算法，并不要求 age 必须达到 15 才能晋升到老年代，它会使用一些动态的计算方法。比如，如果幸存区中相同年龄对象大小的和，大于幸存区的一半，大于或等于 age 的对象将会直接进入老年代。

这些动态判定一般不受外部控制，我们知道有这么回事就可以了。通过下图可以看一下一个对象的分配逻辑。

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卡片标记（card marking）

你可以看到，对象的引用关系是一个巨大的网状。有的对象可能在 Eden 区，有的可能在老年代，那么这种跨代的引用是如何处理的呢？由于 Minor GC 是单独发生的，如果一个老年代的对象引用了它，如何确保能够让年轻代的对象存活呢？

对于是、否的判断，我们通常都会用 Bitmap（位图）和布隆过滤器来加快搜索的速度。如果你不知道这个概念就需要课后补补课了。

JVM 也是用了类似的方法。其实，老年代是被分成众多的卡页（card page）的（一般数量是 2 的次幂）。

卡表（Card Table）就是用于标记卡页状态的一个集合，每个卡表项对应一个卡页。

如果年轻代有对象分配，而且老年代有对象指向这个新对象， 那么这个老年代对象所对应内存的卡页，就会标识为 dirty，卡表只需要非常小的存储空间就可以保留这些状态。

垃圾回收时，就可以先读这个卡表，进行快速判断。

HotSpot 垃圾回收器

接下来介绍 HotSpot 的几个垃圾回收器，每种回收器都有各自的特点。我们在平常的 GC 优化时，一定要搞清楚现在用的是哪种垃圾回收器。

在此之前，我们把上面的分代垃圾回收整理成一张大图，在介绍下面的收集器时，你可以对应一下它们的位置。

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年轻代垃圾回收器

（1）Serial 垃圾收集器

处理 GC 的只有一条线程，并且在垃圾回收的过程中暂停一切用户线程。

这可以说是最简单的垃圾回收器，但千万别以为它没有用武之地。因为简单，所以高效，它通常用在客户端应用上。因为客户端应用不会频繁创建很多对象，用户也不会感觉出明显的卡顿。相反，它使用的资源更少，也更轻量级。

（2）ParNew 垃圾收集器

ParNew 是 Serial 的多线程版本。由多条 GC 线程并行地进行垃圾清理。清理过程依然要停止用户线程。

ParNew 追求“低停顿时间”，与 Serial 唯一区别就是使用了多线程进行垃圾收集，在多 CPU 环境下性能比 Serial 会有一定程度的提升；但线程切换需要额外的开销，因此在单 CPU 环境中表现不如 Serial。

（3）Parallel Scavenge 垃圾收集器

另一个多线程版本的垃圾回收器。它与 ParNew 的主要区别是：

  • Parallel Scavenge：追求 CPU 吞吐量，能够在较短时间内完成指定任务，适合没有交互的后台计算。弱交互强计算。
  • ParNew：追求降低用户停顿时间，适合交互式应用。强交互弱计算。

老年代垃圾收集器

（1）Serial Old 垃圾收集器

与年轻代的 Serial 垃圾收集器对应，都是单线程版本，同样适合客户端使用。

年轻代的 Serial，使用复制算法。

老年代的 Old Serial，使用标记-整理算法。

（2）Parallel Old

Parallel Old 收集器是 Parallel Scavenge 的老年代版本，追求 CPU 吞吐量。

（3）CMS 垃圾收集器

CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是以获取最短 GC 停顿时间为目标的收集器，它在垃圾收集时使得用户线程和 GC 线程能够并发执行，因此在垃圾收集过程中用户也不会感到明显的卡顿。我们会在后面的课时详细介绍它。

长期来看，CMS 垃圾回收器，是要被 G1 等垃圾回收器替换掉的。在 Java8 之后，使用它将会抛出一个警告。 Java HotSpot™ 64-Bit Server VM warning: Option UseConcMarkSweepGC was deprecated in version 9.0 and will likely be removed in a future release.

配置参数

除了上面几个垃圾回收器，我们还有 G1、ZGC 等更加高级的垃圾回收器，它们都有专门的配置参数来使其生效。

通过 -XX:+PrintCommandLineFlags 参数，可以查看当前 Java 版本默认使用的垃圾回收器。你可以看下我的系统中 Java13 默认的收集器就是 G1。

java -XX:+PrintCommandLineFlags -version

-XX:G1ConcRefinementThreads=4 -XX:GCDrainStackTargetSize=64 -XX:InitialHeapSize=134217728 -XX:MaxHeapSize=2147483648 -XX:MinHeapSize=6815736 -XX:+PrintCommandLineFlags -XX:ReservedCodeCacheSize=251658240 -XX:+SegmentedCodeCache -XX:+UseCompressedClassPointers -XX:+UseCompressedOops -XX:+UseG1GC

java version “13.0.1” 2019-10-15

Java™ SE Runtime Environment (build 13.0.1+9)

Java HotSpot™ 64-Bit Server VM (build 13.0.1+9, mixed mode, sharing)

以下是一些配置参数：

  • -XX:+UseSerialGC 年轻代和老年代都用串行收集器
  • -XX:+UseParNewGC 年轻代使用 ParNew，老年代使用 Serial Old
  • -XX:+UseParallelGC 年轻代使用 ParallerGC，老年代使用 Serial Old
  • -XX:+UseParallelOldGC 新生代和老年代都使用并行收集器
  • -XX:+UseConcMarkSweepGC，表示年轻代使用 ParNew，老年代的用 CMS
  • -XX:+UseG1GC 使用 G1垃圾回收器
  • -XX:+UseZGC 使用 ZGC 垃圾回收器

为了让你有个更好的印象，请看下图。它们的关系还是比较复杂的。尤其注意 -XX:+UseParNewGC 这个参数，已经在 Java9 中就被抛弃了。很多程序（比如 ES）会报这个错误，不要感到奇怪。

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有这么多垃圾回收器和参数，那我们到底用什么？在什么地方优化呢？

目前，虽然 Java 的版本比较高，但是使用最多的还是 Java8。从 Java8 升级到高版本的 Java 体系，是有一定成本的，所以 CMS 垃圾回收器还会持续一段时间。

线上使用最多的垃圾回收器，就有 CMS 和 G1，以及 Java8 默认的 Parallel Scavenge。

  • CMS 的设置参数：-XX:+UseConcMarkSweepGC。
  • Java8 的默认参数：-XX:+UseParallelGC。
  • Java13 的默认参数：-XX:+UseG1GC。

我们的实战练习的课时中，就集中会使用这几个参数。

STW

你有没有想过，如果在垃圾回收的时候（不管是标记还是整理复制），又有新的对象进入怎么办？

为了保证程序不会乱套，最好的办法就是暂停用户的一切线程。也就是在这段时间，你是不能 new 对象的，只能等待。表现在 JVM 上就是短暂的卡顿，什么都干不了。这个头疼的现象，就叫作 Stop the world。简称 STW。

标记阶段，大多数是要 STW 的。如果不暂停用户进程，在标记对象的时候，有可能有其他用户线程会产生一些新的对象和引用，造成混乱。

现在的垃圾回收器，都会尽量去减少这个过程。但即使是最先进的 ZGC，也会有短暂的 STW 过程。我们要做的就是在现有基础设施上，尽量减少 GC 停顿。

你可能对 STW 的影响没有什么概念，我举个例子来说明下。

某个高并发服务的峰值流量是 10 万次/秒，后面有 10 台负载均衡的机器，那么每台机器平均下来需要 1w/s。假如某台机器在这段时间内发生了 STW，持续了 1 秒，那么本来需要 10ms 就可以返回的 1 万个请求，需要至少等待 1 秒钟。

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在用户那里的表现，就是系统发生了卡顿。如果我们的 GC 非常的频繁，这种卡顿就会特别的明显，严重影响用户体验。

虽然说 Java 为我们提供了非常棒的自动内存管理机制，但也不能滥用，因为它是有 STW 硬伤的。

小结

本课时的内容很多。由于篇幅有限，我们仅介绍了最重要的点，要是深挖下去，估计一本书都写不完。

归根结底，各色的垃圾回收器就是为了解决头疼的 STW 问题，让 GC 时间更短，停顿更小，吞吐量更大。

现在的回收器，基于弱代假设，大多是分代回收的理念。针对年轻代和老年代，有多种不同的垃圾回收算法，有些可以组合使用。

我们尤其讲解了年轻代的垃圾回收。

  • 年轻代是 GC 的重灾区，大部分对象活不到老年代；
  • 面试经常问，都是些非常朴素的原理；
  • 为我们后面对 G1 和 ZGC 的介绍打下基础。

我们也接触了大量的名词。让我们来总结一下：

算法

  • Mark
  • Sweep
  • Copy
  • Compact

分代

  • Young generation
  • Survivor
  • Eden
  • Old generation Tenured Generation
  • GC
    • Minor GC
  • Major GC

名词

  • weak generational hypothesis
  • 分配担保
  • 提升
  • 卡片标记
  • STW

文中图片关于 Eden、from、to 区的划分以及堆的划分，是很多面试官非常喜欢问的。但是有些面试官的问题非常陈旧，因为 JVM 的更新迭代有点快，你不要去反驳。有些痛点是需要实践才能体验到，心平气和的讲解这些变化，会让你在面试中掌握主动地位。

参考资料

https://learn.lianglianglee.com/%e4%b8%93%e6%a0%8f/%e6%b7%b1%e5%85%a5%e6%b5%85%e5%87%ba%20Java%20%e8%99%9a%e6%8b%9f%e6%9c%ba-%e5%ae%8c/06%20%e6%b7%b1%e5%85%a5%e5%89%96%e6%9e%90%ef%bc%9a%e5%9e%83%e5%9c%be%e5%9b%9e%e6%94%b6%e4%bd%a0%e7%9c%9f%e7%9a%84%e4%ba%86%e8%a7%a3%e5%90%97%ef%bc%9f%ef%bc%88%e4%b8%8a%ef%bc%89.md