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目錄

• 一、前言
• 二、面試題
• 三、先動(dòng)手驗(yàn)證垃圾回收
• 四、JVM 垃圾回收知識(shí)框架
  • 1. 判斷對象已死
  • 2. 垃圾回收算法
  • 3. 垃圾回收器
• 五、總結(jié)
• 六、系列推薦

一、前言

提升自身價(jià)值有多重要?

經(jīng)過了風(fēng)風(fēng)雨雨，看過了男男女女。時(shí)間經(jīng)過的歲月就沒有永恒不變的!

在這趟車上有人下、有人上，外在別人給你點(diǎn)評的標(biāo)簽、留下的烙印，都只是這趟車上的故事。只有個(gè)人成長了、積累了、沉淀了，才有機(jī)會(huì)當(dāng)自己的司機(jī)。

可能某個(gè)年齡段的你還看不懂，但如果某天你不那么忙了，要思考思考自己的路、自己的腳步。看看這些是不是你想要的，如果都是你想要的，為什么你看起來不開心?

好!加油，走向你想成為的自己!

二、面試題

謝飛機(jī)，小記!，中午吃飽了開始發(fā)呆，怎么就學(xué)不來這些知識(shí)呢，它也不進(jìn)腦子!

「謝飛機(jī)」：喂，面試官大哥，我想問個(gè)問題。

「面試官」：什么?

「謝飛機(jī)」：就是這知識(shí)它不進(jìn)腦子呀!

「面試官」：這....

「謝飛機(jī)」：就是看了忘，忘了看的!

「面試官」：是不是沒有實(shí)踐?只是看了就覺得會(huì)了，收藏了就表示懂了?哪哪都不深入!?

「謝飛機(jī)」：好像是!那有什么辦法?

「面試官」：也沒有太好的辦法，學(xué)習(xí)本身就是一件枯燥的事情。減少碎片化的時(shí)間浪費(fèi)，多用在系統(tǒng)化的學(xué)習(xí)上會(huì)更好一些。哪怕你寫寫博客記錄下，驗(yàn)證下也是好的。

三、先動(dòng)手驗(yàn)證垃圾回收

說是垃圾回收，我不引用了它就回收了?什么時(shí)候回收的?咋回收的?

沒有看到實(shí)際的例子，往往就很難讓理科生接受這類知識(shí)。我自己也一樣，最好是讓我看得見。代碼是對數(shù)學(xué)邏輯的具體實(shí)現(xiàn)，沒有實(shí)現(xiàn)過程只看答案是沒有意義的。

「測試代碼」

public class ReferenceCountingGC { 
 
    public Object instance = null; 
    private static final int _1MB = 1024 * 1024; 
    /** 
     * 這個(gè)成員屬性的唯一意義就是占點(diǎn)內(nèi)存， 以便能在GC日志中看清楚是否有回收過 
     */ 
    private byte[] bigSize = new byte[2 * _1MB]; 
 
    public static void main(String[] args) { 
        testGC(); 
    } 
 
    public static void testGC() { 
        ReferenceCountingGC objA = new ReferenceCountingGC(); 
        ReferenceCountingGC objB = new ReferenceCountingGC(); 
        objA.instance = objB; 
        objB.instance = objA; 
        objA = null; 
        objB = null; 
        // 假設(shè)在這行發(fā)生GC， objA和objB是否能被回收？ 
        System.gc(); 
    } 
 
} 

例子來自于《深入理解Java虛擬機(jī)》中引用計(jì)數(shù)算法章節(jié)。

例子要說明的結(jié)果是，相互引用下卻已經(jīng)置為null的兩個(gè)對象，是否會(huì)被GC回收。如果只是按照引用計(jì)數(shù)器算法來看，那么這兩個(gè)對象的計(jì)數(shù)標(biāo)識(shí)不會(huì)為0，也就不能被回收。但到底有沒有被回收呢?

這里我們先采用 jvm 工具指令，jstat來監(jiān)控。因?yàn)楸O(jiān)控的過程需要我手敲代碼，比較耗時(shí)，所以我們在調(diào)用testGC()前，睡眠會(huì) Thread.sleep(55000);。啟動(dòng)代碼后執(zhí)行如下指令。

E:\itstack\git\github.com\interview>jps -l 
10656 
88464 
38372 org.itstack.interview.ReferenceCountingGC 
26552 sun.tools.jps.Jps 
110056 org.jetbrains.jps.cmdline.Launcher 
 
E:\itstack\git\github.com\interview>jstat -gc 38372 2000 
 S0C    S1C    S0U    S1U      EC       EU        OC         OU       MC     MU    CCSC   CCSU   YGC     YGCT    FGC    FGCT     GCT 
10752.0 10752.0  0.0    0.0   65536.0   6561.4   175104.0     0.0     4480.0 770.9  384.0   75.9       0    0.000   0      0.000    0.000 
10752.0 10752.0  0.0    0.0   65536.0   6561.4   175104.0     0.0     4480.0 770.9  384.0   75.9       0    0.000   0      0.000    0.000 
10752.0 10752.0  0.0    0.0   65536.0   6561.4   175104.0     0.0     4480.0 770.9  384.0   75.9       0    0.000   0      0.000    0.000 
10752.0 10752.0  0.0    0.0   65536.0   6561.4   175104.0     0.0     4480.0 770.9  384.0   75.9       0    0.000   0      0.000    0.000 
10752.0 10752.0  0.0    0.0   65536.0   6561.4   175104.0     0.0     4480.0 770.9  384.0   75.9       0    0.000   0      0.000    0.000 
10752.0 10752.0  0.0    0.0   65536.0   6561.4   175104.0     0.0     4480.0 770.9  384.0   75.9       0    0.000   0      0.000    0.000 
10752.0 10752.0  0.0    0.0   65536.0   6561.4   175104.0     0.0     4480.0 770.9  384.0   75.9       0    0.000   0      0.000    0.000 
10752.0 10752.0  0.0   1288.0 65536.0    0.0     175104.0     8.0     4864.0 3982.6 512.0  440.5       1    0.003   1      0.000    0.003 
10752.0 10752.0  0.0    0.0   65536.0   437.3    175104.0    1125.5   4864.0 3982.6 512.0  440.5       1    0.003   1      0.012    0.015 
10752.0 10752.0  0.0    0.0   65536.0   437.3    175104.0    1125.5   4864.0 3982.6 512.0  440.5     

• S0C、S1C，第一個(gè)和第二個(gè)幸存區(qū)大小
• S0U、S1U，第一個(gè)和第二個(gè)幸存區(qū)使用大小
• EC、EU，伊甸園的大小和使用
• OC、OU，老年代的大小和使用
• MC、MU，方法區(qū)的大小和使用
• CCSC、CCSU，壓縮類空間大小和使用
• YGC、YGCT，年輕代垃圾回收次數(shù)和耗時(shí)
• FGC、FGCT，老年代垃圾回收次數(shù)和耗時(shí)
• GCT，垃圾回收總耗時(shí)

「注意」：觀察后面三行，S1U = 1288.0、GCT = 0.003，說明已經(jīng)在執(zhí)行垃圾回收。

接下來，我們再換種方式測試。在啟動(dòng)的程序中，加入GC打印參數(shù)，觀察GC變化結(jié)果。

-XX:+PrintGCDetails  打印每次gc的回收情況 程序運(yùn)行結(jié)束后打印堆空間內(nèi)存信息(包含內(nèi)存溢出的情況) 
-XX:+PrintHeapAtGC  打印每次gc前后的內(nèi)存情況 
-XX:+PrintGCTimeStamps 打印每次gc的間隔的時(shí)間戳 full gc為每次對新生代老年代以及整個(gè)空間做統(tǒng)一的回收 系統(tǒng)中應(yīng)該盡量避免 
-XX:+TraceClassLoading  打印類加載情況 
-XX:+PrintClassHistogram 打印每個(gè)類的實(shí)例的內(nèi)存占用情況 
-Xloggc:/Users/xiaofuge/Desktop/logs/log.log  配合上面的使用將上面的日志打印到指定文件 
-XX：HeapDumpOnOutOfMemoryError 發(fā)生內(nèi)存溢出將堆信息轉(zhuǎn)存起來 以便分析 

這回就可以把睡眠去掉了，并添加參數(shù) -XX:+PrintGCDetails，如下：

「測試結(jié)果」

[GC (System.gc()) [PSYoungGen: 9346K->936K(76288K)] 9346K->944K(251392K), 0.0008518 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]  
[Full GC (System.gc()) [PSYoungGen: 936K->0K(76288K)] [ParOldGen: 8K->764K(175104K)] 944K->764K(251392K), [Metaspace: 3405K->3405K(1056768K)], 0.0040034 secs] [Times: user=0.08 sys=0.00, real=0.00 secs]  
Heap 
 PSYoungGen      total 76288K, used 1966K [0x000000076b500000, 0x0000000770a00000, 0x00000007c0000000) 
  eden space 65536K, 3% used [0x000000076b500000,0x000000076b6eb9e0,0x000000076f500000) 
  from space 10752K, 0% used [0x000000076f500000,0x000000076f500000,0x000000076ff80000) 
  to   space 10752K, 0% used [0x000000076ff80000,0x000000076ff80000,0x0000000770a00000) 
 ParOldGen       total 175104K, used 764K [0x00000006c1e00000, 0x00000006cc900000, 0x000000076b500000) 
  object space 175104K, 0% used [0x00000006c1e00000,0x00000006c1ebf100,0x00000006cc900000) 
 Metaspace       used 3449K, capacity 4496K, committed 4864K, reserved 1056768K 
  class space    used 376K, capacity 388K, committed 512K, reserved 1048576K 

• 從運(yùn)行結(jié)果可以看出內(nèi)存回收日志，F(xiàn)ull GC 進(jìn)行了回收。
• 也可以看出JVM并不是依賴引用計(jì)數(shù)器的方式，判斷對象是否存活。否則他們就不會(huì)被回收啦

「有了這個(gè)例子，我們再接著看看JVM垃圾回收的知識(shí)框架!」

四、JVM 垃圾回收知識(shí)框架

垃圾收集(Garbage Collection，簡稱GC)，最早于1960年誕生于麻省理工學(xué)院的Lisp是第一門開始使用內(nèi)存動(dòng)態(tài)分配和垃圾收集技術(shù)的語言。

垃圾收集器主要做的三件事：哪些內(nèi)存需要回收、什么時(shí)候回收、怎么回收。

而從垃圾收集器的誕生到現(xiàn)在有半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，現(xiàn)在的內(nèi)存動(dòng)態(tài)分配和內(nèi)存回收技術(shù)已經(jīng)非常成熟，一切看起來都進(jìn)入了“自動(dòng)化”。但在某些時(shí)候還是需要我們?nèi)ケO(jiān)測在高并發(fā)的場景下，是否有內(nèi)存溢出、泄漏、GC時(shí)間過程等問題。所以在了解和知曉垃圾收集的相關(guān)知識(shí)對于高級程序員的成長就非常重要。

垃圾收集器的核心知識(shí)項(xiàng)主要包括：判斷對象是否存活、垃圾收集算法、各類垃圾收集器以及垃圾回收過程。如下圖;

圖 27-1 垃圾收集器知識(shí)框架

原圖下載鏈接：http://book.bugstack.cn/#s/6jJp2icA

1. 判斷對象已死

1.1 引用計(jì)數(shù)器

1. 為每一個(gè)對象添加一個(gè)引用計(jì)數(shù)器，統(tǒng)計(jì)指向該對象的引用次數(shù)。
2. 當(dāng)一個(gè)對象有相應(yīng)的引用更新操作時(shí)，則對目標(biāo)對象的引用計(jì)數(shù)器進(jìn)行增減。
3. 一旦當(dāng)某個(gè)對象的引用計(jì)數(shù)器為0時(shí)，則表示此對象已經(jīng)死亡，可以被垃圾回收。

從實(shí)現(xiàn)來看，引用計(jì)數(shù)器法(Reference Counting)雖然占用了一些額外的內(nèi)存空間來進(jìn)行計(jì)數(shù)，但是它的實(shí)現(xiàn)方案簡單，判斷效率高，是一個(gè)不錯(cuò)的算法。

也有一些比較出名的引用案例，比如：微軟COM(Component Object Model) 技術(shù)、使用ActionScript 3的FlashPlayer、 Python語言等。

「但是」，在主流的Java虛擬機(jī)中并沒有選用引用技術(shù)算法來管理內(nèi)存，主要是因?yàn)檫@個(gè)簡單的計(jì)數(shù)方式在處理一些相互依賴、循環(huán)引用等就會(huì)非常復(fù)雜?？赡軙?huì)存在不再使用但又不能回收的內(nèi)存，造成內(nèi)存泄漏

1.2 可達(dá)性分析法

Java、C#等主流語言的內(nèi)存管理子系統(tǒng)，都是通過可達(dá)性分析(Reachability Analysis)算法來判定對象是否存活的。

它的算法思路是通過定義一系列稱為 GC Roots 根對象作為起始節(jié)點(diǎn)集，從這些節(jié)點(diǎn)出發(fā)，窮舉該集合引用到的全部對象填充到該集合中(live set)。這個(gè)過程教過標(biāo)記，只標(biāo)記那些存活的對象 好，那么現(xiàn)在未被標(biāo)記的對象就是可以被回收的對象了。

GC Roots 包括;

1. 全局性引用，對方法區(qū)的靜態(tài)對象、常量對象的引用
2. 執(zhí)行上下文，對 Java方法棧幀中的局部對象引用、對 JNI handles 對象引用
3. 已啟動(dòng)且未停止的 Java 線程

「兩大問題」

誤報(bào)：已死亡對象被標(biāo)記為存活，垃圾收集不到。多占用一會(huì)內(nèi)存，影響較小。

漏報(bào)：引用的對象(正在使用的)沒有被標(biāo)記為存活，被垃圾回收了。那么直接導(dǎo)致的就是JVM奔潰。(STW可以確?？蛇_(dá)性分析法的準(zhǔn)確性，避免漏報(bào))

2. 垃圾回收算法

2.1 標(biāo)記-清除算法(mark-sweep)

標(biāo)記-清除算法(mark-sweep)

• 標(biāo)記無引用的死亡對象所占據(jù)的空閑內(nèi)存，并記錄到空閑列表中(free list)。
• 當(dāng)需要?jiǎng)?chuàng)建新對象時(shí)，內(nèi)存管理模塊會(huì)從 free list 中尋找空閑內(nèi)存，分配給新建的對象。
• 這種清理方式其實(shí)非常簡單高效，但是也有一個(gè)問題內(nèi)存碎片化太嚴(yán)重了。
• 「Java 虛擬機(jī)的堆中對象」，必須是連續(xù)分布的，所以極端的情況下可能即使總剩余內(nèi)存充足，但尋找連續(xù)內(nèi)存分配效率低，或者嚴(yán)重到無法分配內(nèi)存。重啟湯姆貓!
• 在CMS中有此類算法的使用，GC暫停時(shí)間短，但存在算法缺陷。

2.2 標(biāo)記-復(fù)制算法(mark-copy)

標(biāo)記-復(fù)制算法(mark-copy)

• 從圖上看這回做完垃圾清理后連續(xù)的內(nèi)存空間就大了。
• 這種方式是把內(nèi)存區(qū)域分成兩份，分別用兩個(gè)指針 from 和 to 維護(hù)，并且只使用 from 指針指向的內(nèi)存區(qū)域分配內(nèi)存。
• 當(dāng)發(fā)生垃圾回收時(shí)，則把存活對象復(fù)制到 to 指針指向的內(nèi)存區(qū)域，并交換 from 與 to 指針。
• 它的好處很明顯，就是解決內(nèi)存碎片化問題。但也帶來了其他問題，堆空間浪費(fèi)了一半。

2.3 標(biāo)記-壓縮算法(mark-compact)

標(biāo)記-壓縮算法(mark-compact)

• 1974年，Edward Lueders 提出了標(biāo)記-壓縮算法，標(biāo)記的過程和標(biāo)記清除算法一樣，但在后續(xù)對象清理步驟中，先把存活對象都向內(nèi)存空間一端移動(dòng)，然后在清理掉其他內(nèi)存空間。
• 這種算法能夠解決內(nèi)存碎片化問題，但壓縮算法的性能開銷也不小。

3. 垃圾回收器

3.1 新生代

1.Serial

算法：標(biāo)記-復(fù)制算法

說明：簡單高效的單核機(jī)器，Client模式下默認(rèn)新生代收集器;

2.Parallel ParNew

算法：標(biāo)記-復(fù)制算法

說明：GC線程并行版本，在單CPU場景效果不突出。常用于Client模式下的JVM

3.Parallel Scavenge

算法：標(biāo)記-復(fù)制算法

說明：目標(biāo)在于達(dá)到可控吞吐量(吞吐量=用戶代碼運(yùn)行時(shí)間/(用戶代碼運(yùn)行時(shí)間+垃圾回收時(shí)間));

3.2 老年代

1.Serial Old

算法：標(biāo)記-壓縮算法

說明：性能一般，單線程版本。1.5之前與Parallel Scavenge配合使用;作為CMS的后備預(yù)案。

2.Parallel Old

算法：標(biāo)記-壓縮算法

說明：GC多線程并行，為了替代Serial Old與Parallel Scavenge配合使用。

3.CMS

算法：標(biāo)記-清除算法

說明：對CPU資源敏感、停頓時(shí)間長。標(biāo)記-清除算法，會(huì)產(chǎn)生內(nèi)存碎片，可以通過參數(shù)開啟碎片的合并整理。基本已被G1取代

3.3 G1

算法：標(biāo)記-壓縮算法

說明：適用于多核大內(nèi)存機(jī)器、GC多線程并行執(zhí)行，低停頓、高回收效率。

五、總結(jié)

JVM 的關(guān)于自動(dòng)內(nèi)存管理的知識(shí)眾多，包括本文還沒提到的 HotSpot 實(shí)現(xiàn)算法細(xì)節(jié)的相關(guān)知識(shí)，包括：安全節(jié)點(diǎn)、安全區(qū)域、卡表、寫屏障等。每一項(xiàng)內(nèi)容都值得深入學(xué)習(xí)。

如果不僅僅是為了面試背題，最好的方式是實(shí)踐驗(yàn)證學(xué)習(xí)。否則這類知識(shí)就像3分以下的過電影一樣，很難記住它的內(nèi)容。

整個(gè)的內(nèi)容也是小傅哥學(xué)習(xí)整理的一個(gè)過程，后續(xù)還會(huì)不斷的繼續(xù)深挖和分享。感興趣的小伙伴可以一起討論學(xué)習(xí)。