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JVM GC 与内存分配策略

Java 堆中存放着几乎所有的对象实例，垃圾收集器在对堆进行回收前，需要确定对象是否存活。

引用计数算法

给对象添加一个引用计数器，每当一个地方引用它时，计数器的值加 1；引用失效时减 1。

主流 JVM 没有选用此种算法管理内存，主要原因是它难以解决对象间循环引用的问题。

可达性分析算法

可达性分析算法是 JVM 主流实现中采用的算法。基本思路是通过一系列 GC Roots 对象为起点向下搜索，搜索所走过的路径称为 引用链 。当一个对象到 GC Roots 没有任何引用链相连时，会被判定为可回收对象。

GC Roots 对象包括以下几种：虚拟机栈中引用的对象；方法区中类静态属性引用的对象；方法区中常量引用的对象；本地方法栈中引用的对象。

引用类型

JDK 1.2 后，Java 中的引用分为强引用、软引用、弱引用和虚引用 4 种。

强引用在代码中普遍存在，如 Object o = new Object() ，只要强引用在，垃圾回收器就永远不会回收被引用的对象。

软引用用来描述有用但非必须的对象，在发生内存溢出异常之前被回收。

弱引用和软引用类似，强度更弱，只能生存到下一次垃圾收集之前。

虚引用不会对生存时间构成影响，也无法通过虚引用取得实例，设置虚引用的唯一目的就是能在这个对象被回收时受到系统通知。

回收方法区

方法区的回收主要包括废弃常量和无用的类。

废弃常量和堆中的对象类似，当发生垃圾回收时，如果常量池中的常量不存在任何引用，必要情况下回被清理。

判断一个类无用的条件很苛刻，需要所有实例都已经被回收、加载该类的 ClassLoader 已经被回收，并且该类对应的 java.lang.Class 对象没有在任何地方被引用，无法通过反射访问该类的方法，满足以上条件的无用类才能被回收。

垃圾收集算法

标记 — 清除算法

先标记出所有需要回收的对象，然后统一回收。两个阶段效率都不高，另外标记清除后会产生大量不连续的内存碎片。

复制算法

将可用内存分为大小相等两块，每次使用其中一块。内存用完时将还存活的对象复制到另一块上，再把已使用的空间一次清理掉。

新生代中大多对象朝生夕死，不需要按照 1 : 1 分配内存空间，而是分为一块较大的 Eden 空间和两块较小的 Survivor 空间，每次使用 Eden 空间和其中一块 Survivor 空间。回收时将 Eden 和 Survivor 中存活的对象一次性复制到另一块 Survivor 空间，再清理掉之前使用的两块内存空间。HotSpot 默认 Eden 和 Survivor 的大小比例为 8 : 1，可用空间为 90%。当 Survivor 内存不够时需依赖老年代进行分配担保。

标记 — 整理算法

标记整理算法更适合于老年代，标记之后不直接对可回收对象进行清理，而是让存活对象都向一段移动，然后清理掉边界以外的内存。

分代收集

当前商业虚拟机都采用分代收集，根据对象存活周期把内存划分为几块。一般把 Java 堆分为新生代和老年代，新生代采用复制算法，老年代使用标记清理算法或标记整理算法。

HotSpot 算法实现

HotSpot 实现上述算法时，须对算法的执行效率严格考量，才能保证虚拟机高效运行。

枚举根节点

主流虚拟机都使用 准确式 GC ，即知道内存中数据的具体类型，所以不需要一个不漏地检查所有执行上下文和全局的引用位置。JVM 有办法直接得知哪些地方存放着对象引用，HotSpot 使用一组称为 OopMap 的数据类型达到这个目的。

安全点

导致 OopMap 变化的指令很多，如果针对每次变化采取措施 GC 的成本会变得很高。实际上，HotSpot 没有为每条指令生成 OopMap，只在特定位置记录这些信息，这些位置称为 安全点 ，程序只有在安全点才能暂停。安全点既不能太少又不能太多，基本选在方法调用、循环跳转等具有让程序长时间执行特性的位置。

让程序在安全点暂停主要有抢先式中断和主动式中断两种方案。抢先式先把所有线程中断，再让不处于安全点的线程继续执行到安全点。主动式则是在安全点的位置有是否需要中断的标志，线程执行到安全点时依据标志中断挂起。

安全区域

安全区域指在一段代码片段内不会引起引用变化的区域，如线程处于 Sleep 状态挥着 Blocked 状态，线程无法响应 JVM 的中断请求。

程序进入安全区域时，先标记自己已经进入安全区域，如在这个时候发起 GC，不需要处理标记进去安全区域的线程。在线程离开安全区域时，需要检查是否完成枚举根节点或整个 GC 过程，已完成则继续执行，否则需要等到接收可以安全离开的信号为止。

垃圾收集器

垃圾收集器是内存回收的具体实现，目前没有最好的收集器，只有最合适的收集器，所以 JVM 实现了几个不同的收集器。

Serial / Serial Old 收集器

单线程收集器，只使用一个 CPU 和一个收集线程，垃圾回收时暂停其他所有的工作线程，直到收集结束。

与其他收集器的单线程比简单高效，对于运行在 Client 模式下的虚拟机是一个好选择。

新生代采用复制算法，老年代采用标记整理算法。

ParNew 收集器

Serial 的多线程版本，能与 CMS 收集器配置工作，所以是许多运行在 Server 模式下的首选新生代收集器。

在垃圾收集器的上下文中，先明确两个概念：

并行：多条垃圾线程并行工作，用户线程仍然处于等待状态

并发：用户线程和垃圾回收线程同时执行（不一定并行，可能会交替执行）

Parallel Scavenge / Parallel Old 收集器

使用复制算法的新生代多线程收集器，特点是更关注吞吐量，即运行用户代码时间 / (运行用户代码时间 + 垃圾收集时间)。

Parallel Scavenge 收集有一个参数开关 -XX:+UseAdaptiveSizePolicy，打开后就不需要手动设置新生代大小、Eden 与 Survivor 区的比例等细节参数，JVM 会根据当前系统运行情况动态调整，以提供最合适的停顿时间或最大吞吐量。

CMS 收集器

Concurrent Mark Sweep 以获取最短收回停顿时间为目标，使用标记清除算法。收集过程分为 4 部：初始标记、并发标记、重新标记和并发清理。初始标记和重新标记耗时很少，并发标记和并发清理两部耗时较长，但都可以与用户线程一起并发执行。

CMS 收集器有 3 个明显缺点：1.对 CPU 资源敏感，并发阶段占用一部分 CPU 资源导致应用程序变慢。2.无法收集浮动垃圾，即并发清理阶段由于程序还在运行产生的垃圾，可能导致另一次 Full GC。3.标记清除算法导致收集结束后存在大量空间碎片，可配置 Full GC 执行多少次时伴随一次空间压缩。