Stop The World 是何時發生的？

垃圾回收流程的一些流程

哪些對象是垃圾？

當我們進行垃圾回收的時候，首先需要判斷哪些對象是存活的？

常用的方法有如下兩種

1. 引用計數法
2. 可達性分析法

Python判斷對象存活的算法用的是引用計數法，而Java則使用的是可達性分析法。

「通過GC ROOT可達的對象，不能被回收，不可達的對象則可以被回收，搜索走過的路徑叫做引用鏈」

不可達對象會進行2次標記的過程，通過GC ROOT不可達，會被第一次標記。如果需要執行finalize()方法，則這個對象會被放入一個隊列中執行finalize()，如果在finalize()方法中成功和引用鏈上的其他對象關聯，則會被移除可回收對象集合（「一般你不建議你使用finalize方法」），否則被回收

「常見的GC ROOT有如下幾種」

1. 虛擬機棧（棧幀中的本地變量表）中引用的對象
2. 方法區中類靜態屬性引用的對象
3. 方法區中常量引用的對象
4. 本地方法棧中JNI（Native方法）引用的對象

「照這樣看，程序中的GC ROOT有很多，每次垃圾回收都要對GC ROOT的引用鏈分析一遍，感覺耗費的時間很長啊，有沒有可能減少每次掃描的GC ROOT？」

分代和跨代引用

其實當前虛擬機大多數都遵循了“分代收集”理論進行設計，它的實現基於2個分代假說之上

1. 絕大多數對象都是朝生夕滅的
2. 熬過多次垃圾收集過程的對象就越難以消亡

因此堆一般被分爲新生代和老年代，針對新生代的GC叫MinorGC，針對老年代的GC叫OldGC。但是分代後有一個問題，爲了找到新生代的存活對象，不得不遍歷老年代，反過來也一樣當進行MinorGC的時候，如果我們只遍歷新生代，那麼可以判定ABCD爲存活對象。但是E不會被判斷爲存活對象，所以就會有問題。

爲了解決這種跨代引用的對象，最笨的辦法就是遍歷老年代的對象，找出這些跨代引用的對象。但這種方式對性能影響較大

這時就不得不提到第三個假說

「跨代引用相對於同代引用來說僅佔極少數。」

根據這條假說，我們就不需要爲了少量的跨代引用去掃描整個老年代。「爲了避免遍歷老年代的性能開銷，垃圾回收器會引入一種記憶集的技術，記憶集就是用來記錄跨代引用的表」

如新生代的記憶集就保存了老年代持有新生代的引用關係

所以在進行MinorGC的時候，只需要將包含跨代引用的內存區域加入GC ROOT一起掃描就行了

卡表

前面我們說到垃圾收集器用記憶集來記錄跨代引用。其實你可以把記憶集理解爲接口，卡表理解爲實現，類比Map和HashMap。

卡表最簡單的形式可以只是一個字節數組， 而HotSpot虛擬機確實也是這樣做的。以下這行代碼是HotSpot默認的卡表標記邏輯：

CARD_TABLE [this address >> 9] = 0;

HotSpot用一個數組元素來保存對應的內存地址是有有跨代引用對象（從this address右移9位可以看出每個元素映射了512字節的內存）

當數組元素值爲0時表明對應的內存地址不存在跨代引用對象，否則存在（稱爲卡表中這個元素變髒）

如何更新卡表？

「將卡表元素變髒的過程，HotSpot是通過寫屏障來實現的」，即當其他代對象引用當前分代對象的時候，在引用賦值階段更新卡表，具體實現方式類似於AOP

void oop_field_store(oop* field, oop new_value) { 
// 引用字段賦值操作
*field = new_value;
// 寫後屏障，在這裏完成卡表狀態更新 
post_write_barrier(field, new_value);
}

三色標記法

執行思路

「如何判斷一個對象可達呢？這就不得不提到三色標記法」

白色：剛開始遍歷的時候所有對象都是白色的 灰色：被垃圾回收器訪問過，但至少還有一個引用未被訪問 黑色：被垃圾回收器訪問過，並且這個對象的所有引用都被訪問過，是安全存活的對象（GC ROOT會被標記爲黑色）

以上圖爲例，三色標記法的執行流程如下

1. 先將GC ROOT引用的對象B和E標記爲灰色
2. 接着將B和E引用的對象A，C和F標記爲灰色，此時B和E標記爲黑色
3. 依次類推，最終被標記爲白色的對象需要被回收

三色標記法問題

可達性分析算法根節點枚舉這一步必須要在一個能保障一致性的快照中分析，所以要暫停用戶線程（Stop The World ，STW），在各種優化技巧的加持下，停頓時間已經非常短了。

在從根節點掃描的過程則不需要STW，但是也會發生一些問題。由於此時垃圾回收線程和用戶線程一直運行，所以引用關係會發生變化

1. 應該被回收的對象被標記爲不被回收
2. 不應該被回收的對象標記爲應該回收

第一種情況影響不大，大不了後續回收即可。但是第二種情況則會造成致命錯誤

所以經過研究表明，只有同時滿足兩個條件纔會發生第二種情況

1. 插入了一條或者多條黑色到白色對象的引用
2. 刪除了全部從灰色到白色對象的引用

爲了解決這個問題，我們破壞2個條件中任意一個不就行了，由此產生了2中解決方案，「增量更新」和「原始快照」。CMS使用的是增量更新，G1使用的是原始快照

「增量更新要破壞的是第一個條件」， 當黑色對象插入新的指向白色對象的引用關係時， 就將這個新插入的引用記錄下來， 等併發掃描結束之後， 再將這些記錄過的引用關係中的黑色對象爲根， 重新掃描一次。這可以簡化理解爲， 黑色對象一旦新插入了指向白色對象的引用之後， 它就變回灰色對象了

「原始快照要破壞的是第二個條件」， 當灰色對象要刪除指向白色對象的引用關係時， 就將這個要刪除的引用記錄下來， 在併發掃描結束之後， 再將這些記錄過的引用關係中的灰色對象爲根， 重新掃描一次。這也可以簡化理解爲， 無論引用關係刪除與否， 都會按照剛剛開始掃描那一刻的對象圖快照來進行搜索。

參考自《深入理解Java虛擬機》

垃圾收集器

圖中展示了七種作用於不同分代的收集器，如果兩個收集器之間存在連線，就說明它們可以搭配使用。在JDK8時將Serial+CMS，ParNew+Serial Old這兩個組合聲明爲廢棄，並在JDK9中完全取消了這些組合的支持

並行和併發都是併發編程中的專業名詞，在談論垃圾收集器的上下文語境中， 它們可以理解爲

「並行（Parallel）」：指多條垃圾收集線程並行工作，但此時用戶線程仍然處於等待狀態

「併發（Concurrent」）：指用戶線程與垃圾收集線程同時執行

Serial收集器

「新生代，標記-複製算法，單線程。進行垃圾收集時，必須暫停其他所有工作線程，直到它收集結束」

ParNew收集器

「ParNew本質上是Serial收集器的多線程並行版本」

Parallel Scavenge收集器

「新生代，標記複製算法，多線程，主要關注吞吐量」

吞吐量=運行用戶代碼時間/(運行用戶代碼時間+運行垃圾收集時間)

Serial Old收集器

「老年代，標記-整理算法，單線程，是Serial收集器的老年代版本」

用處有如下2個

1. 在JDK5以及之前的版本中與Parallel Scavenge收集器搭配使用
2. 作爲CMS收集器發生失敗時的後備預案，在併發收集發生Concurrent Mode Failure時使用

Parallel Old收集器

「老年代，標記-整理算法，多線程，是Parallel Scavenge收集器的老年代版本」

在注重吞吐量或者處理器資源較爲稀缺的場合，都可以優先考慮Parallel Scavenge加Parallel Old收集器這個組合

CMS收集器

「老年代，標記-清除算法，多線程，主要關注延遲」

運作過程分爲4個步驟

1. 初始標記（CMS initial mark）
2. 併發標記（CMS concurrent mark）
3. 重新標記（CMS remark）
4. 併發清除（CMS concurrent sweep）

1. 初始標記：標記一下GC Roots能直接關聯到的對象，速度很快（這一步會發生STW）
2. 併發標記：從GC Roots的直接關聯對象開始遍歷整個對象圖的過程，這個過程耗時較長但是不需要停頓用戶線程，可以與垃圾收集一起併發運行
3. 重新標記：爲了修正併發標記期間，因用戶程序繼續運作而導致標記產生變動的那一部分對象的標記記錄（ 「就是三色標記法中的增量更新」，這一步也會發生STW）
4. 併發清除：清理刪除掉標記階段判斷的已經死亡的對象，由於不需要移動存活對象，所以看這個階段也是可以與用戶線程同時併發的

總結

收集器	收集對象和算法	收集器類型	說明	適用場景
Serial	新生代，複製算法	單線程		簡單高效；適合內存不大的情況
ParNew	新生代，複製算法	並行的多線程收集器	ParNew垃圾收集器是Serial收集器的多線程版本	搭配CMS垃圾回收器的首選
Parallel Scavenge吞吐量優先收集器	新生代，複製算法	並行的多線程收集器	類似ParNew，更加關注吞吐量，達到一個可控制的吞吐量	本身是Server級別多CPU機器上的默認GC方式，主要適合後臺運算不需要太多交互的任務

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收集器	收集對象和算法	收集器類型	說明	適用場景
Serial Old	老年代，標記整理算法	單線程		Client模式下虛擬機使用
Parallel Old	老年代，標記整理算法	並行的多線程收集器	Paraller Scavenge收集器的老年代版本，爲了配置Parallel Svavenge的面向吞吐量的特性而開發的對應組合	在注重吞吐量以及CPU資源敏感的場合採用
CMS	老年代，標記清除算法	並行與併發收集器	儘可能的縮短垃圾收集時用戶線程停止時間；缺點在於，1.內存碎片，2.需要更多CPU資源，3.浮動垃圾問題，需要更大的堆空間	重視服務的相應速度，系統停頓時間和用戶體驗的互聯網網站或者B/S系統。互聯網後端目前cms是主流的垃圾回收器
G1	跨新生代和老年代；標記整理+化整爲零		並行與併發收集器	JDK1.7才正式引入，採用分區回收的思維，基本不犧牲吞吐量的前提下完成低停頓的內存回收；可預測的停頓是其最大的優勢

本文分享自微信公衆號 - 武培軒（wupeixuan404）。
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