【JVM】JVM 垃圾回收器

垃圾回收的相关概念

在介绍垃圾回收器之前，首先介绍一下垃圾回收的相关概念

System.gc() 的理解

在默认情况下，通过System.gc()或者Runtime.getRuntime().gc() 的调用，会显式触发Full GC，同时对老年代和新生代进行回收，尝试释放被丢弃对象占用的内存。

然而System.gc()调用附带一个免责声明，无法保证对垃圾收集器的调用（不能确保立即生效）

JVM实现者可以通过 System.gc() 调用来决定JVM的GC行为。而一般情况下，垃圾回收应该是自动进行的，无须手动触发，否则就太过于麻烦了。在一些特殊情况下，如我们正在编写一个性能基准，我们可以在运行之间调用System.gc()

代码演示是否触发GC操作

public class SystemGCTest {
    public static void main(String[] args) {
        new SystemGCTest();
        System.gc();// 提醒jvm的垃圾回收器执行gc,但是不确定是否马上执行gc
        // 与Runtime.getRuntime().gc();的作用一样。

        // System.runFinalization();//强制调用使用引用的对象的finalize()方法
    }
    
    // 如果发生了GC，这个finalize()一定会被调用
    @Override
    protected void finalize() throws Throwable {
        super.finalize();
        System.out.println("SystemGCTest 重写了finalize()");
    }
}

运行结果，但是不一定会触发销毁的方法，调用System.runFinalization()会强制调用失去引用对象的finalize()

SystemGCTest 执行了 finalize方法

手动 GC 来理解不可达对象的回收

代码如下所示：

public class LocalVarGC {

    /**
     * 触发Minor GC没有回收对象，然后在触发Full GC将该对象存入old区
     */
    public void localvarGC1() {
        byte[] buffer = new byte[10*1024*1024];
        System.gc();
    }

    /**
     * 触发YoungGC的时候，已经被回收了
     */
    public void localvarGC2() {
        byte[] buffer = new byte[10*1024*1024];
        buffer = null;
        System.gc();
    }

    /**
     * 不会被回收，因为它还存放在局部变量表索引为1的槽中
     */
    public void localvarGC3() {
        {
            byte[] buffer = new byte[10*1024*1024];
        }
        System.gc();
    }

    /**
     * 会被回收，因为它还存放在局部变量表索引为1的槽中，但是后面定义的value把这个槽给替换了
     */
    public void localvarGC4() {
        {
            byte[] buffer = new byte[10*1024*1024];
        }
        int value = 10;
        System.gc();
    }

    /**
     * localvarGC5中的数组已经被回收
     */
    public void localvarGC5() {
        localvarGC1();
        System.gc();
    }

    public static void main(String[] args) {
        LocalVarGC localVarGC = new LocalVarGC();
        localVarGC.localvarGC3();
    }
}

上述五个方法的详细分析见博客：https://imlql.cn/post/4d401a8b.html

内存溢出

内存溢出相对于内存泄漏来说，尽管更容易被理解，但是同样的，内存溢出也是引发程序崩溃的罪魁祸首之一。

由于GC一直在发展，所有一般情况下，除非应用程序占用的内存增长速度非常快，造成垃圾回收已经跟不上内存消耗的速度，否则不太容易出现OOM的情况。大多数情况下，GC会进行各种年龄段的垃圾回收，实在不行了就放大招，来一次独占式的Full GC操作，这时候会回收大量的内存，供应用程序继续使用。

javadoc中对OutOfMemoryError的解释是，没有空闲内存，并且垃圾收集器也无法提供更多内存。

内存溢出（OOM）原因分析

首先说没有空闲内存的情况：说明Java虚拟机的堆内存不够。原因有二：

• Java虚拟机的堆内存设置不够。
  • 比如：可能存在内存泄漏问题；也很有可能就是堆的大小不合理，比如我们要处理比较可观的数据量，但是没有显式指定JVM堆大小或者指定数值偏小。我们可以通过参数-Xms 、-Xmx来调整。
• 代码中创建了大量大对象，并且长时间不能被垃圾收集器收集（存在被引用）。
  • 对于老版本的oracle JDK，因为永久代的大小是有限的，并且JVM对永久代垃圾回收（如，常量池回收、卸载不再需要的类型）非常不积极，所以当我们不断添加新类型的时候，永久代出现OutOfMemoryError也非常多见，尤其是在运行时存在大量动态类型生成的场合；类似intern字符串缓存占用太多空间，也会导致OOM问题。对应的异常信息，会标记出来和永久代相关：“java.lang.OutOfMemoryError:PermGen space"。
  • 随着元数据区的引入，方法区内存已经不再那么窘迫，所以相应的OOM有所改观，出现OOM，异常信息则变成了：“java.lang.OutofMemoryError:Metaspace"。直接内存不足，也会导致OOM。

这里面隐含着一层意思是，在抛出OutOfMemoryError之前，通常垃圾收集器会被触发，尽其所能去清理出空间。

• 例如：在引用机制分析中，涉及到JVM会去尝试回收软引用指向的对象等。
• 在java.nio.Bits.reserveMemory()方法中，我们能清楚的看到，System.gc()会被调用，以清理空间。

当然，也不是在任何情况下垃圾收集器都会被触发的。比如，我们去分配一个超大对象，类似一个超大数组超过堆的最大值，JVM可以判断出垃圾收集并不能解决这个问题，所以直接抛出OutOfMemoryError。

内存泄漏

也称作“存储渗漏”。严格来说，只有对象不会再被程序用到了，但是GC又不能回收他们的情况，才叫内存泄漏。但实际情况很多时候一些不太好的实践（或疏忽）会导致对象的生命周期变得很长甚至导致OOM，也可以叫做宽泛意义上的“内存泄漏”。

例如创建一个数组中存储若干对象，该数组对象不再被引用了，但是其内存储的对象因为还有被这个数组所引用，因此一直不会被释放，造成了内存泄漏

尽管内存泄漏并不会立刻引起程序崩溃，但是一旦发生内存泄漏，程序中的可用内存就会被逐步蚕食，直至耗尽所有内存，最终出现OutOfMemory异常，导致程序崩溃。

注意，这里的存储空间并不是指物理内存，而是指虚拟内存大小，这个虚拟内存大小取决于磁盘交换区设定的大小。

买房子：80平的房子，但是有10平是公摊的面积，我们是无法使用这10平的空间，这就是所谓的内存泄漏

内存泄露官方例子

• 左边的图：Java使用可达性分析算法，最上面的数据不可达，就是需要被回收的对象。
• 右边的图：后期有一些对象不用了，按道理应该断开引用，但是存在一些链没有断开（图示中的Forgotten Reference Memory Leak），从而导致没有办法被回收。

内存泄漏常见例子

• 单例模式。单例的生命周期和应用程序是一样长的，所以单例程序中，如果持有对外部对象的引用的话，那么这个外部对象是不能被回收的，则会导致内存泄漏的产生。
• 提供close()的资源未关闭导致内存泄漏。数据库连接（dataSourse.getConnection() ），网络连接（socket）和io连接必须手动close()，否则是不能被回收的。

内存泄漏的更多例子见文章【JVM】JVM 调优实战案例。

Stop The World

Stop-The-World，简称STW，指的是GC事件发生过程中，会产生应用程序的停顿。停顿产生时整个应用程序线程都会被暂停，没有任何响应，有点像卡死的感觉，这个停顿称为STW。

可达性分析算法中枚举根节点（GC Roots）会导致所有Java执行线程停顿。

• 分析工作必须在一个能确保一致性的快照中进行
• 一致性指整个分析期间整个执行系统看起来像被冻结在某个时间点上
• 如果出现分析过程中对象引用关系还在不断变化，则分析结果的准确性无法保证

被STW中断的应用程序线程会在完成GC之后恢复，频繁中断会让用户感觉像是网速不快造成电影卡带一样，所以我们需要减少STW的发生。

STW事件和采用哪款GC无关，所有的GC都有这个事件。哪怕是G1也不能完全避免Stop-The-World情况发生，只能说垃圾回收器越来越优秀，回收效率越来越高，尽可能地缩短了暂停时间。

STW是JVM在后台自动发起和自动完成的。在用户不可见的情况下，把用户正常的工作线程全部停掉。

开发中不要主动调用 system.gc() ，这会导致Stop-The-World的发生。

安全点与安全区域

安全点（Safepoint）

程序执行时并非在所有地方都能停顿下来开始GC，只有在特定的位置才能停顿下来开始GC，这些位置称为“安全点（Safepoint）”。

Safe Point的选择很重要，如果太少可能导致GC等待的时间太长，如果太频繁可能导致运行时的性能问题。大部分指令的执行时间都非常短暂，通常会根据“是否具有让程序长时间执行的特征”为标准。比如：选择一些执行时间较长的指令作为Safe Point，如方法调用、循环跳转和异常跳转等。

如何在GC发生时，检查所有线程都跑到最近的安全点停顿下来呢？

• 抢先式中断：（目前没有虚拟机采用了）首先中断所有线程。如果还有线程不在安全点，就恢复线程，让线程跑到安全点。
• 主动式中断：设置一个中断标志，各个线程运行到Safe Point的时候主动轮询这个标志，如果中断标志为真，则将自己进行中断挂起。（有轮询的机制）

安全区域（Safe Region）

Safepoint 机制保证了程序执行时，在不太长的时间内就会遇到可进入GC的Safepoint。但是，程序“不执行”的时候呢？例如线程处于sleep状态或Blocked 状态，这时候线程无法响应JVM的中断请求，“走”到安全点去中断挂起，JVM也不太可能等待线程被唤醒。对于这种情况，就需要安全区域（Safe Region）来解决。

安全区域是指在一段代码片段中，对象的引用关系不会发生变化，在这个区域中的任何位置开始GC都是安全的。我们也可以把Safe Region看做是被扩展了的Safepoint。

安全区域的执行流程：

• 当线程运行到Safe Region的代码时，首先标识已经进入了Safe Region，如果这段时间内发生GC，JVM会忽略标识为Safe Region状态的线程
• 当线程即将离开Safe Region时，会检查JVM是否已经完成GC，如果完成了，则继续运行，否则线程必须等待直到收到可以安全离开Safe Region的信号为止；

因为线程在安全区域内不会改变对象间的引用关系，这就保证了其在安全区域内执行代码不会影响到GC，因此可以不需要STW，继续在安全区域内执行代码。

记忆集与卡表

什么是跨代引用？

一般的垃圾回收算法至少会划分出两个代：年轻代和老年代。但是单纯的分代理论在垃圾回收的时候存在一个巨大的缺陷：为了找到年轻代中的存活对象，却不得不遍历整个老年代，反过来也是一样的。

这是因为可能某些年轻代的对象被老年代的对象所引用，这样如果某个垃圾回收器只回收年轻代的对象，那么其必须还要再额外遍历老年代的对象判断是否有引用年代的对象，这无疑浪费了很多时间。

如果我们从年轻代开始遍历，那么可以断定N, S, P, Q都是存活对象。但是，V却不会被认为是存活对象，其占据的内存会被回收了。这就是一个惊天的大漏洞！因为U本身是老年代对象，而且有外部引用指向它，也就是说U是存活对象，而U指向了V，也就是说V也应该是存活对象才是！而这都是因为我们只遍历年轻代对象！

所以，为了解决这种跨代引用的问题，最笨的办法就是遍历老年代的对象，找出这些跨代引用来。这种方案存在极大的性能浪费。因为从两个分代假说里面，其实隐含了一个推论：跨代引用是极少的。也就是为了找出那么一点点跨代引用，我们却得遍历整个老年代！从上图来说，很显然的是，我们根本不必遍历R。

因此，为了避免这种遍历老年代的性能开销，通常的分代垃圾回收器会引入一种称为**记忆集 Remembered Set（RSet）**的技术。简单来说，记忆集就是用来记录跨代引用的表。

记忆集 Remembered Set

为解决对象跨代引用所带来的问题，垃圾收集器在新生代中建立了名为记忆集（Remembered Set）的数据结构，用以避免把整个老年代加进GC Roots扫描范围。事实上并不只是新生代、老年代之间才有跨代引用的问题，所有涉及部分区域收集（Partial GC）行为的垃圾收集器，典型的如G1、ZGC和Shenandoah收集器，都会面临相同的问题，因此我们有必要进一步理清记忆集的原理和实现方式，以便在后续章节里介绍几款最新的收集器相关知识时能更好地理解。

记忆集 Remembered Set 是一种用于记录从非收集区域指向收集区域的指针集合的抽象数据结构。如果我们不考虑效率和成本的话，最简单的实现可以用非收集区域中所有含跨代引用的对象数组来实现这个数据结构。

比如说我们有老年代（非收集区域）和年轻代（收集区域）的对象之间有一条引用链

卡表 Card Table

记忆集是一种抽象的概念，卡表是记忆集的一种具体实现。

这种记录全部含跨代引用对象的实现方案，无论是空间占用还是维护成本都相当高昂。而在垃圾收集的场景中，收集器只需要通过记忆集判断出某一块非收集区域是否存在有指向了收集区域的指针就可以了，并不需要了解这些跨代指针的全部细节。那设计者在实现记忆集的时候，便可以选择更为粗犷的记录粒度来节省记忆集的存储和维护成本，下面列举了一些可供选择（当然也可以选择这个范 围以外的）的记录精度：

• 字长精度：每个记录精确到一个机器字长（就是处理器的寻址位数，如常见的32位或64位，这个 精度决定了机器访问物理内存地址的指针长度），该字包含跨代指针。
• 对象精度：每个记录精确到一个对象，该对象里有字段含有跨代指针。
• 卡精度：每个记录精确到一块内存区域，该区域内有对象含有跨代指针。

其中，第三种“卡精度”所指的是用一种称为“卡表”（Card Table）的方式去实现记忆集，这也是目前最常用的一种记忆集实现形式，一些资料中甚至直接把它和记忆集混为一谈。

前面定义中提到记忆集其实是一种“抽象”的数据结构，抽象的意思是只定义了记忆集的行为意图，并没有定义其行为的具体实现。卡表就是记忆集的一种具体实现，它定义了记忆集的记录精度、与堆内存的映射关系等。

关于卡表与记忆集的关系，我们不妨按照Java语言中HashMap与Map的关系来类比理解。 卡表最简单的形式可以只是一个字节数组，而HotSpot虚拟机确实也是这样做的

读者只需要知道有这个东西，面试的时候能说出来，再细致一点的就需要看周志明老师的第三版书了

垃圾回收的并行与并发

并发的概念

在操作系统中，是指一个时间段内有几个程序都处于已启动运行到运行完毕之间，且这几个程序都是在同一个处理器上运行。

并发不是真正意义上的“同时进行”，只是CPU把一个时间段划分成几个时间片段（时间区间），然后在这几个时间区间之间来回切换，由于CPU处理的速度非常快，只要时间间隔处理得当，即可让用户感觉是多个应用程序同时在进行。

并行的概念

当系统有一个以上CPU时，当一个CPU执行一个进程时，另一个CPU可以执行另一个进程，两个进程互不抢占CPU资源，可以同时进行，我们称之为并行（Parallel）。

决定并行的因素不是CPU的数量，而是CPU的核心数量，比如一个CPU多个核也可以并行。

并行适合科学计算，后台处理等弱交互场景。因为一旦后台任务开始并行计算，用户的交互线程就会STW。

并发和并行对比

• 并发，指的是多个事情，在同一时间段内看似同时的发生了（本质上还是多个线程交替抢占CPU）。
• 并行，指的是多个事情，在同一时刻上真正同时的发生了。

并发的多个任务之间是互相抢占资源的。并行的多个任务之间是不互相抢占资源的。

只有在多CPU或者一个CPU多核的情况中，才会发生并行。否则，看似同时发生的事情，其实都是并发执行的。

垃圾回收的并行与并发

并发和并行，在谈论垃圾收集器的上下文语境中，它们可以解释如下：

• 并行（Parallel）：GC时多条垃圾收集线程并行工作，但用户线程需要处于STW状态。如ParNew、Parallel Scavenge、Parallel Old都是并行的垃圾处理器。适合高吞吐量的场景，但是低延迟无法满足。

• 串行（Serial）：GC只在一个线程中执行，用户线程需要处于STW状态。在单核CPU的串行的垃圾回收器可能性能还要优于并行的垃圾回收器

• 并发（Concurrent）：指用户线程与垃圾收集线程同时执行（但不一定是并行的，可能会交替执行），垃圾回收线程在执行时不会停顿用户程序的运行（STW）。如：CMS、G1垃圾回收器都有并发的阶段。适合低延迟的应用场景，其吞吐量相应就会变差。

四种引用

【既偏门又非常高频的面试题】强引用、软引用、弱引用、虚引用有什么区别？具体使用场景是什么？

我们希望能描述这样一类对象：当内存空间还足够时，则能保留在内存中；如果内存空间在进行垃圾收集后还是很紧张，则可以抛弃这些对象。

在JDK1.2版之后，Java对引用的概念进行了扩充，将引用分为：

• 强引用（Strong Reference）
• 软引用（Soft Reference）
• 弱引用（Weak Reference）
• 虚引用（Phantom Reference）

这4种引用强度依次逐渐减弱。除强引用外，其他3种引用均可以在java.lang.ref包中找到它们的身影。如下图，显示了这3种引用类型对应的类，开发人员可以在应用程序中直接使用它们。

Reference子类中只有终结器引用是包内可见的，其他3种引用类型均为public，可以在应用程序中直接使用。四种引用：

• 强引用（StrongReference）：最传统的“引用”的定义，是指在程序代码之中普遍存在的引用赋值，即类似“Object obj = new Object()”这种引用关系。无论任何情况下，只要强引用关系还存在，垃圾收集器就永远不会回收掉被引用的对象。
• 软引用（SoftReference）：在系统将要发生内存溢出之前，将会把这些对象列入回收范围之中进行第二次回收。如果这次回收后还没有足够的内存，才会抛出内存流出异常。
• 弱引用（WeakReference）：被弱引用关联的对象只能生存到下一次垃圾收集之前。当垃圾收集器工作时，无论内存空间是否足够，都会回收掉被弱引用关联的对象。
• 虚引用（PhantomReference）：一个对象是否有虚引用的存在，完全不会对其生存时间构成影响，也无法通过虚引用来获得一个对象的实例。为一个对象设置虚引用关联的唯一目的就是能在这个对象被收集器回收时收到一个系统通知。

快速记忆：

• 强引用：不论如何，只要引用关系还在就不会被回收，哪怕OOM
• 软引用：GC后，如果内存还是要OOM，就把软引用给清除掉
• 弱引用：只要一开始GC，就把弱引用给清除掉，无论后面会不会OOM
• 虚引用：一个虚引用对象等于没有引用，GC时直接清除，但是其所在的引用队列会在被GC时通知应用程序对象的回收情况

应用场景：

• 软引用：通常用来实现内存敏感的缓存。如果还有空闲内存，就可以暂时保留缓存，当内存不足时清理掉，这样就保证了使用缓存的同时，不会耗尽内存。例如 MyBatis 底层使用了软引用缓存对象。图片缓存框架中，“内存缓存”中的图片是以这种引用来保存，使得JVM在发生OOM之前，可以回收这部分缓存
• 弱引用：同样可用于内存敏感的缓存。更优先被清除掉，可以保存一些不是重要的缓存。在静态内部类中，经常会使用弱引用。例如，一个类发送网络请求，承担callback的静态内部类，则常只以弱引用的方式来保存外部类（宿主类）的引用（只以弱引用，而不以强引用形式），当外部类需要被JVM回收时，不会因为网络请求没有及时回来，导致外部类不能被回收，引起内存泄漏（因为如果内部类强引用外部类，则GC时就会认为外部类还有用，就不回收了）
• 虚引用：可用来跟踪对象被垃圾回收器回收的活动，当一个虚引用关联的对象被垃圾收集器回收之前会收到一条系统通知。例如 JDK 内部 cleaner 的使用

强引用

在Java程序中，最常见的引用类型是强引用（普通系统99%以上都是强引用），也就是我们最常见的普通对象引用，也是默认的引用类型。当在Java语言中使用new操作符创建一个新的对象，并将其赋值给一个变量的时候，这个变量就成为指向该对象的一个强引用。

强引用的对象是可触及的，垃圾收集器就永远不会回收掉被引用的对象。

对于一个普通的对象，如果没有其他的引用关系，只要超过了引用的作用域或者显式地将相应（强）引用赋值为null，就是可以当做垃圾被收集了，当然具体回收时机还是要看垃圾收集策略。

相对的，软引用、弱引用和虚引用的对象是软可触及、弱可触及和虚可触及的，在一定条件下，都是可以被回收的。所以，强引用是造成Java内存泄漏的主要原因之一。

强引用的案例说明

StringBuffer str = new StringBuffer("hello world");

局部变量str指向stringBuffer实例所在堆空间，通过str可以操作该实例，那么str就是stringBuffer实例的强引用对应内存结构：

如果此时，在运行一个赋值语句

StringBuffer str = new StringBuffer("hello world");
StringBuffer str1 = str;

对应的内存结构为:

那么我们将 str = null，原来堆中的对象也不会被回收，因为还有其它对象指向该区域

总结：本例中的两个引用，都是强引用，强引用具备以下特点：

• 强引用可以直接访问目标对象。
• 强引用所指向的对象在任何时候都不会被系统回收，虚拟机宁愿抛出OOM异常，也不会回收强引用所指向对象。
• 强引用可能导致内存泄漏。

软引用

软引用（Soft Reference）：内存不足即回收

软引用是用来描述一些还有用，但非必需的对象。只被软引用关联着的对象，在系统将要发生内存溢出异常前，会把这些对象列进回收范围之中进行第二次回收，如果这次回收还没有足够的内存，才会抛出内存溢出异常。

注意，这里的第一次回收是不可达的对象

软引用通常用来实现内存敏感的缓存。比如：高速缓存就有用到软引用。如果还有空闲内存，就可以暂时保留缓存，当内存不足时清理掉，这样就保证了使用缓存的同时，不会耗尽内存。

MyBatis 的底层就用到了软引用，其缓存对象在OOM时将被清除

垃圾回收器在某个时刻决定回收软可达的对象的时候，会清理软引用，并可选地把引用存放到一个引用队列（Reference Queue）。

类似弱引用，只不过Java虚拟机会尽量让软引用的存活时间长一些，迫不得已才清理。

一句话概括：当内存足够时，不会回收软引用可达的对象。内存不够时，会回收软引用的可达对象

在JDK1.2版之后提供了SoftReference类来实现软引用

// 声明强引用
Object obj = new Object();
// 创建一个软引用
SoftReference<Object> sf = new SoftReference<>(obj);
obj = null; // 销毁强引用，这是必须的，不然会存在强引用和软引用

引用队列（ReferenceQueue）：使用谈到各种引用的编程，就必然要提到引用队列。我们在创建各种引用并关联到相应对象时，可以选择是否需要关联引用队列，JVM 会在特定时机将引用 enqueue 到队列里，我们可以从队列里获取引用（remove 方法在这里实际是有获取的意思）进行相关后续逻辑。尤其是虚引用，get 方法只返回 null，如果再不指定引用队列，基本就没有意义了。利用引用队列，我们可以在对象处于相应状态时（对于虚引用，就是被 finalize 了，处于幻象可达状态），执行后期处理逻辑。

弱引用

弱引用：一旦 GC 即回收

弱引用也是用来描述那些非必需对象，只被弱引用关联的对象只能生存到下一次垃圾收集发生为止。在系统GC时，只要发现弱引用，不管系统堆空间使用是否充足，都会回收掉只被弱引用关联的对象。

但是，由于垃圾回收器的线程通常优先级很低，因此，并不一定能很快地发现持有弱引用的对象。在这种情况下，弱引用对象可以存在较长的时间。

弱引用和软引用一样，在构造弱引用时，也可以指定一个引用队列，当弱引用对象被回收时，就会加入指定的引用队列，通过这个队列可以跟踪对象的回收情况。

软引用、弱引用都非常适合来保存那些可有可无的缓存数据。如果这么做，当系统内存不足时，这些缓存数据会被回收，不会导致内存溢出。而当内存资源充足时，这些缓存数据又可以存在相当长的时间，从而起到加速系统的作用。

在JDK1.2版之后提供了WeakReference类来实现弱引用

// 声明强引用
Object obj = new Object();
// 创建一个弱引用
WeakReference<Object> sf = new WeakReference<>(obj);
obj = null; // 销毁强引用，这是必须的，不然会存在强引用和弱引用

弱引用对象与软引用对象的最大不同就在于，当GC在进行回收时，需要通过算法检查是否回收软引用对象，而对于弱引用对象，GC总是进行回收。弱引用对象更容易、更快被GC回收。

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面试题：你开发中使用过WeakHashMap吗？

WeakHashMap可以用来存储图片等缓存信息，可以在内存不足的时候，及时回收，避免了OOM。其底层就是采用的弱引用实现。

代码：

public class WeakReferenceTest {
    public static void main(String[] args) {
        // 构造了弱引用
        WeakReference<User> userWeakRef = new WeakReference<User>(new User(1, "zhangsan"));
        // 从弱引用中重新获取对象
        System.out.println(userWeakRef.get());

        System.gc();
        // 不管当前内存空间足够与否，都会回收它的内存
        System.out.println("After GC:");
        // 重新尝试从弱引用中获取对象
        System.out.println(userWeakRef.get());
    }
}

执行垃圾回收后，软引用对象必定被清除。

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虚引用

虚引用（Phantom Reference）：对象回收跟踪

虚引用也称为“幽灵引用”或者“幻影引用”，是所有引用类型中最弱的一个。

一个对象是否有虚引用的存在，完全不会决定对象的生命周期。如果一个对象仅持有虚引用，那么它和没有引用几乎是一样的，随时都可能被垃圾回收器回收。

它不能单独使用，也无法通过虚引用来获取被引用的对象。当试图通过虚引用的get()方法取得对象时，总是null。

为一个对象设置虚引用关联的唯一目的在于跟踪垃圾回收过程。比如：能在这个对象被收集器回收时收到一个系统通知。

虚引用必须和引用队列一起使用。虚引用在创建时必须提供一个引用队列作为参数。当垃圾回收器准备回收一个对象时，如果发现它还有虚引用，就会在回收对象后，将这个虚引用加入引用队列，以通知应用程序对象的回收情况。

由于虚引用可以跟踪对象的回收时间，因此，也可以将一些资源释放操作放置在虚引用中执行和记录。

虚引用无法获取到我们的数据

在JDK1.2版之后提供了PhantomReference类来实现虚引用。

// 声明强引用
Object obj = new Object();
// 声明引用队列
ReferenceQueue phantomQueue = new ReferenceQueue();
// 声明虚引用（还需要传入引用队列）
PhantomReference<Object> sf = new PhantomReference<>(obj, phantomQueue);
obj = null; 

我们使用一个案例，来结合虚引用，引用队列，finalize进行讲解

public class PhantomReferenceTest {
    // 当前类对象的声明
    public static PhantomReferenceTest obj;
    // 引用队列
    static ReferenceQueue<PhantomReferenceTest> phantomQueue = null;

    @Override
    protected void finalize() throws Throwable {
        super.finalize();
        System.out.println("调用当前类的finalize方法");
        obj = this;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Thread thread = new Thread(() -> {
            while(true) {
                if (phantomQueue != null) {
                    PhantomReference<PhantomReferenceTest> objt = null;
                    try {
                        objt = (PhantomReference<PhantomReferenceTest>) phantomQueue.remove();
                    } catch (Exception e) {
                        e.getStackTrace();
                    }
                    if (objt != null) {
                        System.out.println("追踪垃圾回收过程：PhantomReferenceTest实例被GC了");
                    }
                }
            }
        }, "t1");
        thread.setDaemon(true);
        thread.start();

        phantomQueue = new ReferenceQueue<>();
        obj = new PhantomReferenceTest();
        // 构造了PhantomReferenceTest对象的虚引用，并指定了引用队列
        PhantomReference<PhantomReferenceTest> phantomReference = new PhantomReference<>(obj, phantomQueue);
        try {
            System.out.println(phantomReference.get());
            // 去除强引用
            obj = null;
            // 第一次进行GC，由于对象可复活，GC无法回收该对象
            System.out.println("第一次GC操作");
            System.gc();
            Thread.sleep(1000);
            if (obj == null) {
                System.out.println("obj 是 null");
            } else {
                System.out.println("obj 不是 null");
            }
            System.out.println("第二次GC操作");
            obj = null;
            System.gc();
            Thread.sleep(1000);
            if (obj == null) {
                System.out.println("obj 是 null");
            } else {
                System.out.println("obj 不是 null");
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {

        }
    }
}

最后运行结果

null
第一次GC操作
调用当前类的finalize方法
obj 不是 null
第二次GC操作
追踪垃圾回收过程：PhantomReferenceTest实例被GC了
obj 是 null

从上述运行结果我们知道，第一次尝试获取虚引用的值，发现无法获取的，这是因为虚引用是无法直接获取对象的值，然后进行第一次gc，因为会调用finalize()方法，将对象复活了，所以对象没有被回收。

但是调用第二次gc操作的时候，因为finalize()方法只能执行一次，所以就触发了GC操作，将对象回收了，同时将会触发第二个操作：将回收的值存入到引用队列中。

终结器引用

它用于实现对象的finalize() 方法，也可以称为终结器引用。

无需手动编码，其内部配合引用队列使用。在GC时，终结器引用入队。由Finalizer线程通过终结器引用找到被引用对象调用它的finalize()方法，第二次GC时才回收被引用的对象。

垃圾回收器的分类与性能指标

垃圾回收器概述

垃圾收集器没有在规范中进行过多的规定，可以由不同的厂商、不同版本的JVM来实现。由于JDK的版本处于高速迭代过程中，因此Java发展至今已经衍生了众多的GC版本。从不同角度分析垃圾收集器，可以将GC分为不同的类型。

Java 不同版本新特性

1. 语法层面：Lambda表达式、switch、自动拆箱装箱、enum、泛型
2. API层面：Stream API、新的日期时间、Optional、String、集合框架
3. 底层优化：JVM优化、GC的变化、元空间、静态域、字符串常量池等

垃圾收集器分类

1、按线程数分（垃圾回收线程数），可以分为串行垃圾回收器和并行垃圾回收器。

• 串行回收：指的是在同一时间段内只允许有一个CPU用于执行垃圾回收操作，此时工作线程被暂停，直至垃圾收集工作结束
  • 在诸如单CPU处理器或者较小的应用内存等硬件平台不是特别优越的场合，串行回收器的性能表现可以超过并行回收器和并发回收器。所以，串行回收默认被应用在客户端的Client模式下的JVM中
  • 在并发能力比较强的CPU上，并行回收器产生的停顿时间要短于串行回收器
• 并行回收：和串行回收相反，并行回收可以运用多个CPU同时执行垃圾回收，因此提升了应用的吞吐量，不过并行回收仍然与串行回收一样，采用独占式，使用了“stop-the-world”机制，工作期间用户线程将STW。

2、按照工作模式分，可以分为并发式垃圾回收器和独占式垃圾回收器。

• 并发式垃圾回收器与应用程序线程交替工作，以尽可能减少应用程序的停顿时间。
• 独占式垃圾回收器（Stop the World）一旦运行，就停止应用程序中的所有用户线程，直到垃圾回收过程完全结束。即用户线程会STW。

3、按碎片处理方式分，可分为压缩式垃圾回收器和非压缩式垃圾回收器

• 压缩式垃圾回收器会在回收完成后，对存活对象进行压缩整理，消除回收后的碎片。
• 非压缩式的垃圾回收器不进行这步操作。

4、按工作的内存区间分，又可分为年轻代垃圾回收器和老年代垃圾回收器。

评估 GC 的性能指标

• 吞吐量：运行用户代码的时间占总运行时间的比例（总运行时间 = 程序的运行时间 + 内存回收的时间）
• 垃圾收集开销：吞吐量的补数，垃圾收集所用时间与总运行时间的比例。
• 暂停时间：执行垃圾收集时，程序的工作线程被暂停的时间，即STW时间。
• 收集频率：相对于应用程序的执行，收集操作发生的频率。
• 内存占用：Java堆区所占的内存大小。
• 快速：一个对象从诞生到被回收所经历的时间。

吞吐量、暂停时间、内存占用这三者共同构成一个“不可能三角”。三者总体的表现会随着技术进步而越来越好。一款优秀的收集器通常最多同时满足其中的两项。

这三项里，暂停时间的重要性日益凸显。因为随着硬件发展，内存占用多些越来越能容忍，硬件性能的提升也有助于降低收集器运行时对应用程序的影响，即提高了吞吐量。而内存的扩大，对延迟反而带来负面效果。

简单来说，最重要的两点：

• 吞吐量
• 暂停时间

性能指标：吞吐量

吞吐量就是CPU用于运行用户代码的时间与CPU总消耗时间的比值，即吞吐量=运行用户代码时间 /（运行用户代码时间+垃圾收集时间）

比如：虚拟机总共运行了100分钟，其中垃圾收集花掉1分钟，那吞吐量就是99%。

这种情况下，应用程序能容忍较高的暂停时间，因此，高吞吐量的应用程序有更长的时间基准，快速响应是不必考虑的。

吞吐量优先，意味着在单位时间内，STW的时间最短：0.2+0.2=0.4

性能指标：暂停时间

“暂停时间”是指一个时间段内应用程序线程暂停STW，让GC线程执行的状态

例如，GC期间100毫秒的暂停时间意味着在这100毫秒期间内没有应用程序线程是活动的。暂停时间优先，意味着尽可能让单次STW的时间最短：0.1+0.1 + 0.1+ 0.1+ 0.1=0.5

吞吐量 vs 暂停时间

• 高吞吐量较好因为这会让应用程序的最终用户感觉只有应用程序线程在做“生产性”工作。直觉上，吞吐量越高程序运行越快。
• 低暂停时间（低延迟）较好因为从最终用户的角度来看不管是GC还是其他原因导致一个应用被挂起始终是不好的。这取决于应用程序的类型，有时候甚至短暂的200毫秒暂停都可能打断终端用户体验。因此，具有低的较大暂停时间是非常重要的，特别是对于一个交互式应用程序。

不幸的是“高吞吐量”和“低暂停时间”是一对相互竞争的目标（矛盾）。

• 因为如果选择以吞吐量优先，那么必然需要降低内存回收的执行频率，但是这样会导致GC需要更长的暂停时间来执行内存回收（因为STW的频率越高，说明CPU要切换的次数越多，切换CPU造成的时间总停顿数越多，从而吞吐量下降）。
• 相反的，如果选择以低延迟优先为原则，那么为了降低每次执行内存回收时的暂停时间，也只能频繁地执行内存回收，但这又引起了年轻代内存的缩减和导致程序吞吐量的下降。

在设计（或使用）GC算法时，我们必须确定我们的目标：一个GC算法只可能针对两个目标之一（即只专注于较大吞吐量或最小暂停时间），或尝试找到一个二者的折衷。

现在标准：在最大吞吐量优先的情况下，降低停顿时间

垃圾回收器概述

Java常见的垃圾收集器有哪些？

GC垃圾收集器是和JVM一脉相承的，它是和JVM进行搭配使用，在不同的使用场景对应的收集器也是有区别

垃圾回收器发展史

有了虚拟机，就一定需要收集垃圾的机制，这就是Garbage Collection，对应的产品我们称为Garbage Collector。

• 1999年随JDK 1.3.1一起来的是串行方式的Serial GC，它是第一款GC。ParNew垃圾收集器是Serial收集器的多线程版本
• 2002年2月26日，Parallel GC和Concurrent Mark Sweep GC跟随JDK1.4.2一起发布·
• Parallel GC在JDK 6之后成为HotSpot默认GC。
• 2012年，在JDK 1.7u4版本中，G1可用。
• 2017年，JDK 9中G1变成默认的垃圾收集器，以替代CMS。
• 2018年3月，JDK 10中G1垃圾回收器的并行完整垃圾回收，实现并行性来改善最坏情况下的延迟。
• 2018年9月，JDK 11发布。引入Epsilon 垃圾回收器，又被称为 "No-Op(无操作)“ 回收器。同时，引入 ZGC：可伸缩的低延迟垃圾回收器（Experimental）。ZGC处于实验阶段。
• 2019年3月，JDK 12发布。增强G1，自动返回未用堆内存给操作系统。同时，引入Shenandoah GC：低停顿时间的GC（Experimental）。·2019年9月，JDK13发布。增强ZGC，自动返回未用堆内存给操作系统。
• 2020年3月，JDK 14发布。删除CMS垃圾回收器。扩展ZGC在macos和Windows上的应用。ZGC仍处于实验阶段。
• 2020年9月，JDK 15发布。ZGC正式进入可用阶段，但并不是默认的GC

7种经典的垃圾收集器

• 串行回收器：Serial、Serial Old
• 并行回收器：ParNew、Parallel Scavenge、Parallel Old
• 并发回收器：CMS、G1

7款经典收集器与垃圾分代之间的关系

• 新生代收集器：Serial、ParNew、Parallel Scavenge
• 老年代收集器：Serial old、Parallel old、CMS
• 整堆收集器：G1

垃圾收集器的组合关系

两个收集器间有连线，表明它们可以搭配使用：

• Serial / Serial Old（在单核场景下效果较好）
• Serial / CMS （红色虚线，JDK 9废弃）
• ParNew / Serial Old （红色虚线，JDK 9废弃）
• ParNew / CMS
• Parallel Scavenge / Serial Old （绿色虚线，JDK 14废弃）
• Parallel Scavenge / Parallel Old（并行GC组合，JDK 8默认的GC组合）
• G1（JDK 9以后默认的GC）

解释，只有上面粗体的组合在以后的版本仍然使用，其他组合都已被废弃：

• 其中Serial Old作为CMS出现"Concurrent Mode Failure"失败的后备预案。
• ParNew GC 和 Parallel Scavenge / Parallel Old虽然都是并行的GC，但是二者的设计架构完全不同，后者的性能更好，更推荐使用。
• （红色虚线）由于维护和兼容性测试的成本，在JDK 8时将Serial+CMS、ParNew+Serial Old这两个组合声明为废弃（JEP173），并在JDK 9中完全取消了这些组合的支持（JEP214），即：移除。
• （绿色虚线）JDK 14中：弃用Parallel Scavenge和Serial Old GC组合（JEP366）
• （青色虚线）JDK 14中：删除CMS垃圾回收器（JEP363）

垃圾回收器中的并发和并行的区别：

• 并行更在意吞吐量，要求吞吐量必须要高，可以接受⼀定的STW延迟时间
• 并发更在意低延迟，要求STW要小⼀些，用户交互性要更好，并发地执行用户线程和GC线程

为什么要有很多收集器，一个不够吗？因为Java的使用场景很多，移动端，服务器等。所以就需要针对不同的场景，提供不同的垃圾收集器，提高垃圾收集的性能。

虽然我们会对各个收集器进行比较，但并非为了挑选一个最好的收集器出来。没有一种放之四海皆准、任何场景下都适用的完美收集器存在，更加没有万能的收集器。所以我们选择的只是对具体应用最合适的收集器。

除了CMS外，其他老年代的GC都不会单独回收老年代，而是先回收年轻代，如果回收后空间还不足，再回收老年代

如何查看默认垃圾收集器

• -XX:+PrintcommandLineFlags：查看命令行相关参数（包含使用的垃圾收集器）
• 使用命令行指令：jinfo -flag 相关垃圾回收器参数 进程ID

JDK 8 中默认使用 ParallelGC 和 ParallelOldGC 的组合，JDK 9 中默认使用 G1

Serial 回收器：串行回收

Serial GC是最基本、历史最悠久的垃圾收集器了。JDK1.3之前回收新生代唯一的选择。

• Serial 作为HotSpot中Client模式下的默认新生代垃圾收集器。
• Serial 采用复制算法、串行回收和"Stop-The-World"机制的方式执行内存回收。

除了年轻代之外，Serial GC还提供用于执行老年代垃圾收集的Serial Old。Serial Old同样也采用了串行回收和"Stop The World"机制，只不过内存回收算法使用的是标记-压缩算法。

• Serial Old是运行在Client模式下默认的老年代的垃圾回收器
• Serial Old在Server模式下主要有两个用途：
  • 与新生代的Parallel Scavenge配合使用（后被废弃）
  • 作为老年代CMS收集器的后备垃圾收集方案（CMS后被废弃）

这个收集器是一个单线程的收集器，但它的“单线程”的意义并不仅仅说明它只会使用一个CPU或一条收集线程去完成垃圾收集工作，更重要的是在它进行垃圾收集时，必须暂停其他所有的工作线程，直到它收集结束（Stop The World）

Serial 回收器的优势

• 简单而高效（与其他收集器的单线程比），对于限定单个CPU的环境来说，Serial收集器由于没有线程交互的开销，专心做垃圾收集自然可以获得最高的单线程收集效率。运行在Client模式下的虚拟机是个不错的选择。
• 在用户的桌面应用场景中，可用内存一般不大（几十MB至一两百MB），可以在较短时间内完成垃圾收集（几十ms至一百多ms），只要不频繁发生，使用串行回收器是可以接受的。

在HotSpot虚拟机中，使用-XX:+UseSerialGC参数可以指定年轻代和老年代都使用串行收集器。等价于新生代用Serial GC，且老年代用Serial Old GC

总结

Serial 回收器现在应用较少，只适合在单核cpu或嵌入式系统等硬件条件一般的场景下使用。Server端一般不会使用 Serial 回收器。

对于交互较强的应用而言，这种垃圾收集器是不能接受的。一般在Java Web应用程序中是不会采用串行垃圾收集器的。

ParNew 回收器：并行回收

如果说Serial GC是年轻代中的单线程垃圾收集器，那么ParNew收集器则是Serial收集器的多线程版本。Par是Parallel的缩写，New：只能处理的是新生代

ParNew 收集器除了采用并行回收的方式执行内存回收外，两款垃圾收集器之间几乎没有任何区别。ParNew收集器在年轻代中同样也是采用复制算法、"Stop-The-World"机制。

ParNew 是很多JVM运行在Server模式下新生代的默认垃圾收集器。

• 对于新生代，回收次数频繁，使用并行方式高效。
• 对于老年代，回收次数少，使用串行方式节省资源。（CPU并行需要切换线程，串行可以省去切换线程的资源）

ParNew 回收器与 Serial 回收器比较

Q：由于ParNew收集器基于并行回收，那么是否可以断定ParNew收集器的回收效率在任何场景下都会比Serial收集器更高效？
A：不能

• ParNew收集器运行在多CPU的环境下，由于可以充分利用多CPU、多核心等物理硬件资源优势，可以更快速地完成垃圾收集，提升程序的吞吐量。
• 但是在单个CPU的环境下，ParNew收集器不比Serial收集器更高效。虽然Serial收集器是基于串行回收，但是由于CPU不需要频繁地做任务切换，因此可以有效避免多线程交互过程中产生的一些额外开销。
• 除Serial外，目前只有ParNew GC能与CMS收集器配合工作

设置 ParNew 垃圾回收器

1. 在程序中，开发人员可以通过选项-XX:+UseParNewGC手动指定使用ParNew收集器执行内存回收任务。它表示年轻代使用并行收集器，不影响老年代。
2. -XX:ParallelGCThreads：限制线程数量，默认开启和CPU核心数相同的线程数。

Parallel 回收器：吞吐量优先

Parallel Scavenge 和 Parallel Old 回收器的设计架构和 ParNew 并不相同，性能较前者更好。

HotSpot的年轻代中除了拥有ParNew收集器是基于并行回收的以外，Parallel Scavenge收集器同样也采用了复制算法、并行回收和"Stop The World"机制。

那么Parallel 收集器的出现是否多此一举？

• 和ParNew收集器不同，Parallel Scavenge收集器的目标则是达到一个可控制的吞吐量（Throughput），它也被称为吞吐量优先的垃圾收集器。
• 自适应调节策略也是Parallel Scavenge与ParNew一个重要区别。

高吞吐量则可以高效率地利用CPU时间，尽快完成程序的运算任务，主要适合在后台运算而不需要太多交互的任务。因此，常见在服务器环境中使用。例如，那些执行批量处理、订单处理、工资支付、科学计算的应用程序。

Parallel收集器在JDK1.6时提供了用于执行老年代垃圾收集的Parallel Old收集器，用来代替老年代的Serial Old收集器。

Parallel Old收集器采用了标记-压缩算法，但同样也是基于并行回收和"stop-the-World"机制。

程序吞吐量优先的应用场景中，Parallel Scanvenge收集器和Parallel Old收集器的组合，在server模式下的内存回收性能很不错。

在JDK 8中，默认是Parallel Scanvenge + Parallel Old 组合。

Parallel Scavenge 回收器参数设置

• -XX:+UseParallelGC ：手动指定年轻代使用Parallel并行收集器执行内存回收任务。
• -XX:+UseParallelOldGC：手动指定老年代都是使用并行回收收集器。
  • 分别适用于新生代和老年代
  • 上面两个参数分别适用于新生代和老年代。默认jdk8是开启的。默认开启一个，另一个也会被开启。（互相激活）
• -XX:ParallelGCThreads：设置年轻代并行收集器的线程数。一般地，最好与CPU数量相等，以避免过多的线程数影响垃圾收集性能。
  • 在默认情况下，当CPU数量小于8个，ParallelGCThreads的值等于CPU数量。
  • 当CPU数量大于8个，ParallelGCThreads的值等于3+[5*CPU_Count]/8]
• -XX:MaxGCPauseMillis：设置垃圾收集器最大停顿时间（即STW的时间）。单位是毫秒。
  • 为了尽可能地把停顿时间控制在-XX:MaxGCPauseMillis以内，收集器在工作时会调整Java堆大小或者其他一些参数。
  • 对于用户来讲，停顿时间越短体验越好。但是在服务器端，我们注重高并发，整体的吞吐量。所以服务器端适合Parallel，进行控制。
  • 该参数使用需谨慎。
• -XX:GCTimeRatio：垃圾收集时间占总时间的比例，即等于 1 / (N+1) ，用于衡量吞吐量的大小。
  • 取值范围(0, 100)。默认值99，也就是垃圾回收时间占比不超过1。
  • 与前一个-XX:MaxGCPauseMillis参数有一定矛盾性，STW暂停时间越长，Radio参数就容易超过设定的比例。
• -XX:+UseAdaptiveSizePolicy：设置Parallel Scavenge收集器具有自适应调节策略
  • 在这种模式下，年轻代的大小、Eden和Survivor的比例、晋升老年代的对象年龄等参数会被自动调整，已达到在堆大小、吞吐量和停顿时间之间的平衡点。
  • 在手动调优比较困难的场合，可以直接使用这种自适应的方式，仅指定虚拟机的最大堆、目标的吞吐量（GCTimeRatio）和停顿时间（MaxGCPauseMillis），让虚拟机自己完成调优工作。

CMS 回收器：低延迟

CMS 介绍

CMS（Concurrent-Mark-Sweep）：并发标记清除回收器，唯一一个用清除算法的回收器

在JDK1.5时期，Hotspot推出了一款在强交互应用中几乎可认为有划时代意义的垃圾收集器：CMS（Concurrent-Mark-Sweep）收集器，这款收集器是HotSpot虚拟机中第一款真正意义上的并发收集器，它第一次实现了让垃圾收集线程与用户线程同时工作。

CMS收集器的关注点是尽可能缩短垃圾收集时用户线程的停顿时间。停顿时间越短（低延迟）就越适合与用户交互的程序，良好的响应速度能提升用户体验。

目前很大一部分的Java应用集中在互联网站或者B/S系统的服务端上，这类应用尤其重视服务的响应速度，希望系统停顿时间最短，以给用户带来较好的体验。CMS收集器就非常符合这类应用的需求。

CMS的垃圾收集算法采用标记-清除算法（唯一一个使用清除算法的GC），并且也会"Stop-The-World"

不幸的是，CMS作为老年代的收集器，却无法与JDK1.4.0中已经存在的新生代收集器Parallel Scavenge配合工作，所以在JDK1.5中使用CMS来收集老年代的时候，新生代只能选择ParNew或者Serial收集器中的一个。

在G1出现之前，CMS使用还是非常广泛的。一直到今天，仍然有很多系统使用CMS GC。

CMS 工作流程

CMS整个过程比之前的收集器要复杂，整个过程分为4个主要阶段，即初始标记阶段、并发标记阶段、重新标记阶段和并发清除阶段。(涉及STW的阶段主要是：初始标记和重新标记)

• 初始标记（Initial-Mark）阶段：在这个阶段中，程序中所有的工作线程都将会因为“Stop-The-World”机制而出现短暂的暂停，这个阶段的主要任务仅仅只是标记出GCRoots能直接关联到的对象。一旦标记完成之后就会恢复之前被暂停的所有应用线程。由于直接关联对象比较小，所以这里的速度非常快。
• 并发标记（Concurrent-Mark）阶段：从GC Roots的直接关联对象开始遍历整个对象图的过程，这个过程耗时较长但是不需要停顿用户线程，可以与垃圾收集线程一起并发运行。
• 重新标记（Remark）阶段：由于在并发标记阶段中，程序的工作线程会和垃圾收集线程同时运行或者交叉运行，因此为了修正并发标记期间，因用户程序继续运作而导致标记产生变动的那一部分对象的标记记录，这个阶段的停顿时间通常会比初始标记阶段稍长一些，并且也会导致“Stop-The-World”的发生，但也远比并发标记阶段的时间短。但是无法删除浮动垃圾（一开始不是垃圾，但是后面变成了垃圾的对象被称为浮动垃圾）
• 并发清除（Concurrent-Sweep）阶段：此阶段清理删除掉标记阶段判断的已经死亡的对象，释放内存空间。由于不需要移动存活对象，所以这个阶段也是可以与用户线程同时并发的

重新标记阶段的意义是：可能有些对象在第⼀次标记时被发现没有被引用，但是在第二次标记时，可能恰好别的线程对这个对象进行了引用，因此需要再次判断一下有没有哪个第一次认为是垃圾的对象又有了引用。这些对象是绝对不能错删的！

而浮动垃圾是指，并发标记和清除阶段产生的新垃圾。即第一次还不是垃圾，但是第二次这个对象就不再有引用了，然而还是没清除，因为第一次标记时发现他在引用链里，所以第二次就直接没去判断他还是不是垃圾。

但是前一种引用，一开始是垃圾，后来不是垃圾的，必须要在判断清楚，以免删错对象。这个思想就是，可以容忍一些还存活的垃圾，但绝对不能误删正常对象

尽管CMS收集器采用的是并发回收（非独占式），但是在其初始化标记和再次标记这两个阶段中仍然需要执行“Stop-The-World”机制暂停程序中的工作线程，不过暂停时间并不会太长，因此可以说明目前所有的垃圾收集器都做不到完全不需要“Stop-The-World”，只是尽可能地缩短暂停时间。

由于最耗费时间的并发标记与并发清除阶段都不需要暂停工作，所以整体的回收是低停顿的。

另外，由于在垃圾收集阶段用户线程没有中断，所以在CMS回收过程中，还应该确保应用程序用户线程有足够的内存可用。因此，CMS收集器不能像其他收集器那样等到老年代几乎完全被填满了再进行收集，而是当堆内存使用率达到某一阈值时，便开始进行回收，以确保应用程序在CMS工作过程中依然有足够的空间支持应用程序运行。要是CMS运行期间预留的内存无法满足程序需要，就会出现一次“Concurrent Mode Failure”失败，这时虚拟机将启动后备预案：临时启用Serial Old收集器来重新进行老年代的垃圾收集，这样停顿时间就很长了。

CMS收集器的垃圾收集算法采用的是标记清除算法，这意味着每次执行完内存回收后，由于被执行内存回收的无用对象所占用的内存空间极有可能是不连续的一些内存块，不可避免地将会产生一些内存碎片。那么CMS在为新对象分配内存空间时，将无法使用指针碰撞（Bump the Pointer）技术，而只能够选择空闲列表（Free List）执行内存分配。

G1 和 CMS 里并发标记阶段所设计到的重新标记环节详解：https://segmentfault.com/a/1190000021820577 与 https://segmentfault.com/a/1190000021946606

可以简单地理解并发标记阶段的重新标记原理：在并发标记阶段中，用户线程对某些引用进行了增加操作，那么JVM就会记录下来这些操作，待并发标记阶段结束，再根据这些操作重新判断一次引用关系是否变化了。

CMS 为什么不使用标记整理算法？

答案其实很简答，因为当并发清除的时候，用Compact整理内存的话，原来的用户线程使用的内存还怎么用呢？要保证用户线程能继续执行，前提的它运行的资源不受影响嘛。Mark Compact更适合“Stop The World”这种场景下使用

CMS 的优点与弊端

优点

• 并发收集
• 低延迟

弊端

• 会产生内存碎片，导致并发清除后，用户线程可用的空间不足。在无法分配大对象的情况下，不得
• 不提前触发Full GC。
• CMS收集器对CPU资源非常敏感。在并发阶段，它虽然不会导致用户停顿，但是会因为占用了一部分线程而导致应用程序变慢，总吞吐量会降低。
• CMS收集器无法处理浮动垃圾。可能出现“Concurrent Mode Failure”失败而导致另一次Full GC的产生。在并发标记阶段由于程序的工作线程和垃圾收集线程是同时运行或者交叉运行的，**那么在并发标记阶段如果产生新的垃圾对象，CMS将无法对这些垃圾对象进行标记，最终会导致这些新产生的垃圾对象没有被及时回收，**从而只能在下一次执行GC时释放这些之前未被回收的内存空间。

Cms 最大的缺点：会产生内存碎片化，这样在业务高峰期时，如果瞬间来了大量数据，内存碎片化可能导致放不下这些对象，从而会出现 “Concurrent Mode Failure”，然后使用 Serial Old 进行串行回收， 这样的效率会很低，在高峰期时难以承受。

CMS 参数配置

• -XX:+UseConcMarkSweepGC：手动指定使用CMS收集器执行内存回收任务。

  开启该参数后会自动将-XX:+UseParNewGC打开。即：ParNew（Young区）+CMS（Old区）+Serial Old（Old区备选方案）的组合。

• -XX:CMSInitiatingOccupanyFraction：设置堆内存使用率的阈值，一旦达到该阈值，便开始进行回收。

  • JDK5及以前版本的默认值为68，即当老年代的空间使用率达到68%时，会执行一次CMS回收。JDK6及以上版本默认值为92%
  • 如果内存增长缓慢，则可以设置一个稍大的值，大的阀值可以有效降低CMS的触发频率，减少老年代回收的次数可以较为明显地改善应用程序性能。反之，如果应用程序内存使用率增长很快，则应该降低这个阈值，以避免频繁触发老年代串行收集器。因此通过该选项便可以有效降低Full GC的执行次数。

• -XX:+UseCMSCompactAtFullCollection：用于指定在执行完Full GC后对内存空间进行压缩整理，以此避免内存碎片的产生。不过由于内存压缩整理过程无法并发执行，所带来的问题就是停顿时间变得更长了。

• -XX:CMSFullGCsBeforeCompaction：设置在执行多少次Full GC后对内存空间进行压缩整理。

• -XX:ParallelCMSThreads：设置CMS的线程数量。

  • CMS默认启动的线程数是 (ParallelGCThreads + 3) / 4，ParallelGCThreads是年轻代并行收集器的线程数，可以当做是 CPU 最大支持的线程数。当CPU资源比较紧张时，受到CMS收集器线程的影响，应用程序的性能在垃圾回收阶段可能会非常糟糕。

小结

HotSpot有这么多的垃圾回收器，那么如果有人问，Serial GC、Parallel GC、Concurrent Mark Sweep GC这三个GC有什么不同呢？

• 如果你想要最小化地使用内存和并行开销，请选Serial GC；
• 如果你想要最大化应用程序的吞吐量，请选Parallel GC；
• 如果你想要最小化GC的中断或停顿时间，请选CMS GC。

JDK 后续版本中 CMS 的变化

• JDK 9 新特性：CMS被标记为Deprecate了（JEP291）如果对JDK 及以上版本的HotSpot虚拟机使用参数-XX:+UseConcMarkSweepGC来开启CMS收集器的话，用户会收到一个警告信息，提示CMS未来将会被废弃。
• JDK 14新特性：删除CMS垃圾回收器（JEP363），如果在JDK14中使用-XX:+UseConcMarkSweepGC的话，JVM不会报错，只是给出一个warning信息，但是不会exit。JVM会自动回退以默认GC方式启动JVM

为什么需要 STW：https://blog.csdn.net/fhy569039351/article/details/83960709

G1 回收器：区域化分代式

既然我们已经有了前面几个强大的GC，为什么还要发布Garbage First（G1）？

原因就在于应用程序所应对的业务越来越庞大、复杂，用户越来越多，没有GC就不能保证应用程序正常进行，而经常造成STW的GC又跟不上实际的需求，所以才会不断地尝试对GC进行优化。G1（Garbage-First）垃圾回收器是在Java7 update4之后引入的一个新的垃圾回收器，是当今收集器技术发展的最前沿成果之一。

与此同时，为了适应现在不断扩大的内存和不断增加的处理器数量，进一步降低暂停时间（pause time），同时兼顾良好的吞吐量。

官方给G1设定的目标是在延迟可控的情况下获得尽可能高的吞吐量，所以才担当起“全功能收集器”的重任与期望。

为什么名字叫 Garbage First (G1) 呢？

优先回收垃圾占比较大的 Region

因为G1是一个并行回收器，它把堆内存分割为很多不相关的区域（Region）（物理上不连续的）。使用不同的Region来表示Eden、幸存者0区，幸存者1区，老年代等。

G1 GC有计划地避免在整个Java堆中进行全区域的垃圾收集。G1跟踪各个Region里面的垃圾堆积的价值大小（回收所获得的空间大小以及回收所需时间的经验值），在后台维护一个优先列表，每次根据允许的收集时间，优先回收价值最大的Region。由于这种方式的侧重点在于回收垃圾最大量的区域（Region），所以我们给G1一个名字：垃圾优先（Garbage First）。

G1（Garbage-First）是一款面向服务端应用的垃圾收集器，主要针对配备多核CPU及大容量内存的机器，以极高概率满足GC停顿时间的同时，还兼具高吞吐量的性能特征。

在JDK 7版本正式启用，移除了Experimental的标识，是JDK 9以后的默认垃圾回收器，取代了CMS回收器以及Parallel Scanvenge + Parallel Old组合。被oracle官方称为“全功能的垃圾收集器”。

与此同时，CMS已经在JDK 9中被标记为废弃（deprecated）。在JDK 8中还不是默认的垃圾回收器，需要使用-xx:+UseG1GC来启用。

G1 垃圾收集器的优点

与其他GC收集器相比，G1使用了全新的分区算法，其特点如下所示：

1、并行与并发

• 并行性：G1在回收期间，可以有多个GC线程同时工作，有效利用多核计算能力。此时用户线程STW
• 并发性：G1拥有与应用程序交替执行的能力，部分工作可以和应用程序同时执行，因此，一般来说，不会在整个回收阶段发生完全阻塞应用程序的情况

2、分代收集

• 从分代上看，G1依然属于分代型垃圾回收器，它会区分年轻代和老年代，年轻代依然有Eden区和Survivor区。但从堆的结构上看，它不要求整个Eden区、年轻代或者老年代都是连续的，也不再坚持固定大小和固定数量。
• 将堆空间分为若干个区域（Region），这些区域中包含了逻辑上的年轻代和老年代。
• 和之前的各类回收器不同，它同时兼顾年轻代和老年代。对比其他回收器，或者工作在年轻代，或者工作在老年代；

G1所谓的分代，已经不是下面这样的了

而是这样的一个区域：

3、空间整合

• CMS：“标记-清除”算法、内存碎片、若干次GC后进行一次碎片整理
• G1将内存划分为一个个的Region。内存的回收是以Region作为基本单位的。Region之间是复制算法，但整体上实际可看作是标记-压缩（Mark-Compact）算法，两种算法都可以避免内存碎片。这种特性有利于程序长时间运行，分配大对象时不会因为无法找到连续内存空间而提前触发下一次GC。尤其是当Java堆非常大的时候，G1的优势更加明显。

4、可预测的停顿时间模型（即：软实时soft real-time）

这是G1相对于CMS的另一大优势，G1除了追求低停顿外，还能建立可预测的停顿时间模型，能让使用者明确指定在一个长度为M毫秒的时间片段内，消耗在垃圾收集上的时间不得超过N毫秒。

• 由于分区的原因，G1可以只选取部分区域进行内存回收，这样缩小了回收的范围，因此对于全局停顿情况的发生也能得到较好的控制。
• G1跟踪各个Region里面的垃圾堆积的价值大小（回收所获得的空间大小以及回收所需时间的经验值），在后台维护一个优先列表，每次根据允许的收集时间，优先回收价值最大的Region。保证了G1收集器在有限的时间内可以获取尽可能高的收集效率。
• 相比于CMS，G1未必能做到CMS在最好情况下的延时停顿，但是最差情况要好很多。

G1 垃圾收集器的缺点

相较于CMS，G1还不具备全方位、压倒性优势。比如在用户程序运行过程中，G1无论是为了垃圾收集产生的内存占用（Footprint）还是程序运行时的额外执行负载（overload）都要比CMS要高。

从经验上来说，在小内存应用上CMS的表现大概率会优于G1，而G1在大内存应用上则发挥其优势。平衡点在6-8GB之间。

G1 参数设置

• -XX:+UseG1GC：手动指定使用G1垃圾收集器执行内存回收任务
• -XX:G1HeapRegionSize：设置每个Region的大小。值是2的幂，范围是1MB到32MB之间，目标是根据最小的Java堆大小划分出约2048个区域。默认是堆内存的1/2000。
• -XX:MaxGCPauseMillis：设置期望达到的最大GC停顿时间指标，JVM会尽力实现，但不保证达到。默认值是200ms
• -XX:+ParallelGCThread：设置STW工作线程数的值。最多设置为8
• -XX:ConcGCThreads：设置并发标记的线程数。将n设置为并行垃圾回收线程数（ParallelGcThreads）的1/4左右。
• -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent：设置触发并发GC周期的Java堆占用率阈值。超过此值，就触发GC。默认值是45。

G1 收集器的常见操作步骤

G1的设计原则就是简化JVM性能调优，开发人员只需要简单的三步即可完成调优：

• 第一步：开启G1垃圾收集器
• 第二步：设置堆的最大内存
• 第三步：设置最大的停顿时间

G1中提供了三种垃圾回收模式：Young GC、Mixed GC和Full GC，在不同的条件下被触发。

G1 收集器的适用场景

面向服务端应用，针对具有大内存、多处理器的机器。（在普通大小的堆里表现并不惊喜）。最主要的应用是需要低GC延迟，并具有大堆的应用程序提供解决方案；

如：在堆大小约6GB或更大时，可预测的暂停时间可以低于0.5秒；（G1通过每次只清理一部分而不是全部的Region的增量式清理来保证每次Gc停顿时间不会过长）。

G1用来替换掉JDK1.5中的CMS收集器；在下面的情况时，使用G1可能比CMS好：

• 超过50%的Java堆被活动数据占用；
• 对象分配频率或年代提升频率变化很大；
• GC停顿时间过长（长于0.5至1秒）

HotSpot垃圾收集器里，除了G1以外，其他的垃圾收集器使用内置的JVM线程执行GC的多线程操作，而G1可以采用应用线程承担后台运行的GC工作，即当JVM的GC线程处理速度慢时，系统会调用应用程序线程帮助加速垃圾回收过程。

分区 Region：化整为零

使用G1收集器时，它将整个Java堆划分成约2048个大小相同的独立Region块，每个Region块大小根据堆空间的实际大小而定，整体被控制在1MB到32MB之间，且为2的N次幂，即1MB，2MB，4MB，8MB，16MB，32MB。可以通过-XX:G1HeapRegionsize设定。所有的Region大小相同，且在JVM生命周期内不会被改变。

虽然还保留有新生代和老年代的概念，但新生代和老年代不再是物理隔离的了，它们都是一部分Region（不需要连续）的集合。通过Region的动态分配方式实现逻辑上的连续。

一个Region有可能属于Eden，Survivor或者Old/Tenured内存区域。但是一个Region只可能属于一个角色。图中的E表示该Region属于Eden内存区域，S表示属于Survivor内存区域，O表示属于Old内存区域。图中空白的表示未使用的内存空间。

G1垃圾收集器还增加了一种新的内存区域，叫做Humongous内存区域，如图中的H块。主要用于存储大对象，如果超过0.5个Region，就放到H。

设置H的原因：对于堆中的大对象，默认直接会被分配到老年代，但是如果它是一个短期存在的大对象就会对垃圾收集器造成负面影响。为了解决这个问题，G1划分了一个Humongous区，它用来专门存放大对象。如果一个H区装不下一个大对象，那么G1会寻找连续的H区来存储。为了能找到连续的H区，有时候不得不启动Full GC。G1的大多数行为都把H区作为老年代的一部分来看待。

Region 的细节

• 每个Region内部都是通过指针碰撞来分配空间
• G1为每一个Region设计了两个名为TAMS（Top at Mark Start）的指针，把Region中的一部分空间划分出来用于并发回收过程中的新对象分配，并发回收时新分配的对象地址都必须要在这两个指针位置以上。
• TLAB还是用来保证并发性

G1 垃圾回收器的回收过程

G1 的垃圾回收过程主要包括如下三个环节：

• 年轻代GC（Young GC）
• 老年代并发标记过程（Concurrent Marking）
• 混合回收（Mixed GC）

（如果需要，单线程、独占式、高强度的Full GC还是继续存在的。它针对GC的评估失败提供了一种失败保护机制，即强力回收。）

顺时针，Young GC -> Young GC + Concurrent Mark -> Mixed GC顺序，进行垃圾回收。

回收流程

• 应用程序分配内存，当年轻代的Eden区用尽时开始年轻代回收过程；G1的年轻代收集阶段是一个并行的独占式收集器。在年轻代回收期，G1 GC暂停所有应用程序线程，启动多线程执行年轻代回收。然后从年轻代区间移动存活对象到Survivor区间或者老年区间，也有可能是两个区间都会涉及。
• 当堆内存使用达到一定值（默认45%）时，开始老年代并发标记过程。
• 标记完成马上开始混合回收过程。对于一个混合回收期，G1 GC从老年区间移动存活对象到空闲区间，这些空闲区间也就成为了老年代的一部分。和年轻代不同，老年代的G1回收器和其他GC不同，G1的老年代回收器不需要整个老年代被回收，一次只需要扫描/回收一小部分老年代的Region就可以了。同时，这个老年代Region是和年轻代一起被回收的。
• 举个例子：一个Web服务器，Java进程最大堆内存为4G，每分钟响应1500个请求，每45秒钟会新分配大约2G的内存。G1会每45秒钟进行一次年轻代回收，每31个小时整个堆的使用率会达到45%，会开始老年代并发标记过程，标记完成后开始四到五次的混合回收。

Remembered Set（记忆集）

一个对象被不同区域引用的问题。一个Region不可能是孤立的，一个Region中的对象可能被其他任意Region中对象引用，判断对象存活时，是否需要扫描整个Java堆才能保证准确？

在其他的分代收集器，也存在这样的问题（而G1更突出）回收新生代也不得不同时扫描老年代？这样的话会降低MinorGC的效率；

解决方法：无论G1还是其他分代收集器，JVM都是使用Remembered Set来避免全局扫描：

每个Region都有一个对应的Remembered Set；每次Reference类型数据写操作时，都会产生一个Write Barrier暂时中断操作；

然后检查将要写入的引用指向的对象是否和该Reference类型数据在不同的Region（其他收集器：检查老年代对象是否引用了新生代对象）；如果不同，通过卡表 CardTable把相关引用信息记录到引用指向对象的所在Region对应的Remembered Set中；当进行垃圾收集时，在GC根节点的枚举范围加入Remembered Set；就可以保证不进行全局扫描，也不会有遗漏。

在回收 Region 时，为了不进行全堆的扫描，引入了 Remembered Set。Remembered Set 记录了当前 Region 中的对象被哪个对象引用了。

• 这样在进行 Region 复制时，就不要扫描整个堆，只需要去 Remembered Set 里面找到引用了当前 Region 的对象。
• Region 复制完毕后，修改 Remembered Set 中对象的引用即可。

G1 回收过程一：年轻代GC

JVM启动时，G1先准备好Eden区，程序在运行过程中不断创建对象到Eden区，当Eden空间耗尽时，G1会启动一次年轻代垃圾回收过程。

YGC时，首先G1停止应用程序的执行（Stop-The-Wor1d），G1创建回收集（Collection Set），回收集是指需要被回收的内存分段的集合，年轻代回收过程的回收集包含年轻代Eden区和Survivor区所有的内存分段。

图的大致意思就是：

• 回收完E和S区，剩余存活的对象会复制到新的S区
• S区达到一定的阈值可以晋升为O区

详细回收过程：

• 第一阶段，扫描根 GC Roots

根是指static变量指向的对象，正在执行的方法调用链条上的局部变量等。根引用连同RSet记录的外部引用作为扫描存活对象的入口。

• 第二阶段，更新RSet

处理dirty card queue（见备注）中的card，更新RSet。此阶段完成后，RSet可以准确的反映老年代对所在的内存分段中对象的引用。

• 第三阶段，处理RSet

识别被老年代对象指向的Eden中的对象，这些被指向的Eden中的对象被认为是存活的对象。

• 第阶段，复制对象

此阶段，对象树被遍历，Eden区内存段中存活的对象会被复制到Survivor区中空的内存分段，Survivor区内存段中存活的对象如果年龄未达阈值，年龄会加1，达到阀值会被会被复制到Old区中空的内存分段。如果Survivor空间不够，Eden空间的部分数据会直接晋升到老年代空间。

• 第五阶段，处理引用

处理Soft，Weak，Phantom，Final，JNI Weak 等引用。最终Eden空间的数据为空，GC停止工作，而目标内存中的对象都是连续存储的，没有碎片，所以复制过程可以达到内存整理的效果，减少碎片。

备注：

1. 对于应用程序的引用赋值语句 oldObject.field（这个是老年代）=object（这个是新生代），JVM会在之前和之后执行特殊的操作以在dirty card queue中入队一个保存了对象引用信息的card。在年轻代回收的时候，G1会对Dirty Card Queue中所有的card进行处理，以更新RSet，保证RSet实时准确的反映引用关系。
2. 那为什么不在引用赋值语句处直接更新RSet呢？这是为了性能的需要，RSet的处理需要线程同步，开销会很大，使用队列性能会好很多。

G1 回收过程二：并发标记过程

• 初始标记阶段（STW）：标记从根节点直接可达的对象。这个阶段是STW的，并且会触发一次年轻代GC。
• 根区域扫描（Root Region Scanning）：G1 GC扫描Survivor区直接可达的老年代区域对象，并标记被引用的对象。这一过程必须在Young GC之前完成。
• 并发标记（Concurrent Marking）：在整个堆中进行并发标记（和应用程序并发执行），此过程可能被Young GC中断。在并发标记阶段，若发现区域对象中的所有对象都是垃圾，那这个区域会被立即回收。同时，并发标记过程中，会计算每个区域的对象活性（区域中存活对象的比例）。
• 再次标记（Remark）：该过程同CMS类似，由于应用程序持续进行，需要修正上一次的标记结果，是STW的。G1中采用了比CMS更快的初始快照算法SATB：Snapshot-At-The-Beginning（SATB）。
• 独占清理（Cleanup，STW）：计算各个区域的存活对象和GC回收比例，并进行排序，识别可以混合回收的区域**。为下阶段——混合回收做铺垫**。是STW的。这个阶段并不会实际上去做垃圾的收集
• 并发清理阶段：识别并清理完全为垃圾的区域（并发标记阶段只清除全部为垃圾的Region）。

并发标记过程的主要目的是为了并发标记垃圾对象，本身不是为了清理垃圾，只是为了给下一阶段——混合回收做准备：并发标记完成后开始四到五次的混合回收

G1 回收过程三：混合回收

混合回收时先回收年轻代，如果年轻代GC后空间足够，新来的数据就直接放到年轻代里，不再需要给老年代做GC了

当越来越多的对象晋升到老年代Old Region时，为了避免堆内存被耗尽，虚拟机会触发一个混合的垃圾收集器，即Mixed GC，该算法并不是一个Old GC，除了回收整个Young Region，还会回收一部分的Old Region。这里需要注意：是一部分老年代，而不是全部老年代。可以选择哪些Old Region进行收集，从而可以对垃圾回收的耗时时间进行控制。也要注意的是Mixed GC并不是Full GC。

混合回收的细节

• 并发标记结束以后，老年代中百分百为垃圾的内存分段被回收了，部分为垃圾的内存分段被计算了出来。默认情况下，这些老年代的内存分段会分8次被回收（可以通过-XX:G1MixedGCCountTarget设置）
• 混合回收的回收集（Collection Set）包括八分之一的老年代内存分段，Eden区内存分段，Survivor区内存分段。混合回收的算法和年轻代回收的算法完全一样，只是回收集多了老年代的内存分段。具体过程请参考上面的年轻代回收过程。
• 由于老年代中的内存分段默认分8次回收，G1会优先回收垃圾多的内存分段。垃圾占内存分段比例越高的，越会被先回收。并且有一个阈值会决定内存分段是否被回：-XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent，默认为65%，意思是垃圾占内存分段比例要达到65%才会被回收。如果垃圾占比太低，意味着存活的对象占比高，在复制的时候会花费更多的时间。
• 混合回收并不一定要进行8次。有一个阈值-XX:G1HeapWastePercent，默认值为10%，意思是允许整个堆内存中有10%的空间被浪费，意味着如果发现可以回收的垃圾占堆内存的比例低于10%，则不再进行混合回收。因为GC会花费很多的时间但是回收到的内存却很少。

G1 回收可选的过程四：Full GC

G1的目标就是尽可能避免Full GC，除非混合回收（里面涉及到Major GC）后堆空间内存仍然是不足的

G1的初衷就是要避免Full GC的出现。但是如果上述方式不能正常工作，G1会停止应用程序的执行（Stop-The-World），使用单线程的内存回收算法进行垃圾回收，性能会非常差，应用程序停顿时间会很长。

避免Full GC的发生，一旦发生Full GC，需要对JVM参数进行调整。什么时候会发生Full GC呢？比如堆内存太小，当G1在复制存活对象的时候没有空的内存分段可用，则会回退到Full GC，这种情况可以通过增大内存解决。

Full GC 的时机：很少执行，只要在老年代也满了，或者因为并发存放数据的速度快于GC的速度，堆空间即将满了，才会 Full GC。

导致G1 Full GC的原因可能有两个：

• Evacuation的时候没有足够的to-space来存放晋升的对象；
• 并发处理过程完成之前空间耗尽。

G1 回收的优化建议

从Oracle官方透露出来的信息可获知，回收阶段（Evacuation）其实本也有想过设计成与用户程序一起并发执行，但这件事情做起来比较复杂，考虑到G1只是回一部分Region，停顿时间是用户可控制的，所以并不迫切去实现，**而选择把这个特性放到了G1之后出现的低延迟垃圾收集器（即ZGC）中。**另外，还考虑到G1不是仅仅面向低延迟，停顿用户线程能够最大幅度提高垃圾收集效率，为了保证吞吐量所以才选择了完全暂停用户线程的实现方案。

G1 回收器的优化建议

• 年轻代大小避免使用-Xmn或-XX:NewRatio等相关选项显式设置年轻代大小，因为固定年轻代的大小会覆盖可预测的暂停时间目标。我们应该让G1自己去调整
• 暂停时间目标不要太过严苛
  • G1 GC的吞吐量目标是90%的应用程序时间和10%的垃圾回收时间
  • 评估G1 GC的吞吐量时，暂停时间目标不要太严苛。目标太过严苛表示你愿意承受更多的垃圾回收开销，而这些会直接影响到吞吐量。

垃圾回收器总结

截止 JDK 8，一共有7款不同的垃圾收集器。每一款的垃圾收集器都有不同的特点，在具体使用的时候，需要根据具体的情况选用不同的垃圾收集器。

GC发展阶段：Serial => Parallel（并行）=> CMS（并发）=> G1 => ZGC

不同厂商、不同版本的虚拟机实现差距比较大。HotSpot虚拟机在JDK7/8后所有收集器及组合如下图

• 年轻代的GC都使用复制算法
• CMS因为是并发回收所以只能用标记-清除算法
• 其他的老年代的GC都使用标记-压缩算法

怎么选择垃圾回收器

Java垃圾收集器的配置对于JVM优化来说是一个很重要的选择，选择合适的垃圾收集器可以让JVM的性能有一个很大的提升。怎么选择垃圾收集器？

• 优先调整堆的大小让JVM自适应完成。
• 如果内存小于100M，使用串行收集器
• 如果是单核、单机程序，并且没有停顿时间的要求，串行收集器
• 如果是多CPU、需要高吞吐量、允许停顿时间超过1秒，选择并行或者JVM自己选择
• 如果是多CPU、追求低停顿时间，需快速响应（比如延迟不能超过1秒，如互联网应用），使用并发收集器
• 官方推荐G1，性能高。现在互联网的项目，基本都是使用G1。

最后需要明确一个观点：

• 没有最好的收集器，更没有万能的收集
• 调优永远是针对特定场景、特定需求，不存在一劳永逸的收集器

面试

对于垃圾收集，面试官可以循序渐进从理论、实践各种角度深入，也未必是要求面试者什么都懂。但如果你懂得原理，一定会成为面试中的加分项。这里较通用、基础性的部分如下：

• 垃圾收集的算法有哪些？如何判断一个对象是否可以回收？
• 垃圾收集器工作的基本流程
• 另外，需要多关注垃圾回收器这一章的各种常用的参数

GC 日志分析

通过阅读GC日志，我们可以了解Java虚拟机内存分配与回收策略。

内存分配与垃圾回收的参数列表

• -XX:+PrintGC：输出GC日志。类似：-verbose:gc
• -XX:+PrintGCDetails：输出GC的详细日志
• -XX:+PrintGCTimestamps ：输出GC的时间戳（以基准时间的形式）
• -XX:+PrintGCDatestamps ：输出GC的时间戳（以日期的形式，如2013-05-04T21: 53: 59.234 +0800）
• -XX:+PrintHeapAtGC ：在进行GC的前后打印出堆的信息
• -Xloggc:…/logs/gc.log ：日志文件的输出路径

verbose:gc

打开GC日志的 JVM 参数：

-verbose:gc

这个只会显示总的GC堆的变化，如下：

参数解析：

PrintGCDetails

打开GC日志

-XX:+PrintGCDetails

输入信息如下：

参数解析：

PrintGCTimestamps 和 PrintGCDatestamps

加上这两个参数后，打印的GC日志就会带上日期时间信息。

GC 日志补充说明

• “[GC”和”[Full GC”说明了这次垃圾收集的停顿类型，如果有”Full”则说明GC发生了”Stop The World”
• 使用Serial收集器在新生代的名字是Default New Generation，因此显示的是”[DefNew”
• 使用ParNew收集器在新生代的名字会变成”[ParNew”，意思是”Parallel New Generation”
• 使用Parallel scavenge收集器在新生代的名字是”[PSYoungGen”
• 老年代的收集和新生代道理一样，名字也是收集器决定的
• 使用G1收集器的话，会显示为”garbage-first heap”
• Allocation Failure表明本次引起GC的原因是因为在年轻代中没有足够的空间能够存储新的数据了。
• [ PSYoungGen: 5986K->696K(8704K) ] 5986K->704K (9216K)
  • 中括号内：GC回收前年轻代大小，回收后大小，（年轻代总大小）
  • 括号外：GC回收前年轻代和老年代大小，回收后大小，（年轻代和老年代总大小）
• user代表用户态回收耗时，sys内核态回收耗时，real实际耗时。由于多核线程切换的原因，时间总和可能会超过real时间

Young GC

Full GC

GC 日志结构剖析

透过日志看垃圾收集器

• Serial收集器：新生代显示 “[DefNew”，即 Default New Generation
• ParNew收集器：新生代显示 “[ParNew”，即 Parallel New Generation
• Parallel Scavenge收集器：新生代显示"[PSYoungGen"，JDK1.7使用的即PSYoungGen
• Parallel Old收集器：老年代显示"[ParoldGen"
• G1收集器：显示”garbage-first heap“

透过日志看 GC 原因

• Allocation Failure：表明本次引起GC的原因是因为新生代中没有足够的区域存放需要分配的数据
• Metadata GCThreshold：Metaspace区不够用了
• FErgonomics：JVM自适应调整导致的GC
• System：调用了System.gc()方法

透过日志看 GC 前后情况

通过图示，我们可以发现GC日志格式的规律一般都是：GC前内存占用-＞GC后内存占用（该区域内存总大小）

[PSYoungGen: 5986K->696K (8704K) ] 5986K->704K (9216K)

• 中括号内：GC回收前年轻代堆大小，回收后大小，（年轻代堆总大小）
• 括号外：GC回收前年轻代和老年代大小，回收后大小，（年轻代和老年代总大小）

注意：Minor GC堆内存总容量 = 9/10 年轻代 + 老年代。原因是Survivor区只计算from部分，而JVM默认年轻代中Eden区和Survivor区的比例关系，Eden:S0:S1=8:1:1。

面试题：为什么GC日志里显示的堆内存总容量比 -Xms 设置的要小？

因为GC日志里只显示了 9/10 年轻代 + 老年代，自然比设置的值要小。补充：这里的 9/10 要根据实际情况来定，可能开了自适应调整策略会导致该值变化

透过日志看 GC 时间

GC日志中有三个时间：user，sys和real

• user：进程执行用户态代码（核心之外）所使用的时间。这是执行此进程所使用的实际CPU 时间，其他进程和此进程阻塞的时间并不包括在内。在垃圾收集的情况下，表示GC线程执行所使用的 CPU 总时间。
• sys：进程在内核态消耗的 CPU 时间，即在内核执行系统调用或等待系统事件所使用的CPU 时间
• real：程序从开始到结束所用的时钟时间。这个时间包括其他进程使用的时间片和进程阻塞的时间（比如等待 I/O 完成）。对于并行gc，这个数字应该接近（用户时间＋系统时间）除以垃圾收集器使用的线程数。

由于多核的原因，一般的GC事件中，real time是小于sys time＋user time的，因为一般是多个线程并发的去做GC，所以real time是要小于sys＋user time的。如果real＞sys＋user的话，则你的应用可能存在下列问题：IO负载非常重或CPU不够用。

GC 回收举例

我们编写一个程序，用来说明GC收集的过程

public class GCUseTest {
    static final Integer _1MB = 1024 * 1024;
    public static void main(String[] args) {
        byte [] allocation1, allocation2, allocation3, allocation4;
        allocation1 = new byte[2 *_1MB];
        allocation2 = new byte[2 *_1MB];
        allocation3 = new byte[2 *_1MB];
        allocation4 = new byte[4 *_1MB];
    }
}

我们设置JVM启动参数

-Xms10m -Xmx10m -XX:+PrintGCDetails

首先我们会将3个2M的数组存放到Eden区，然后后面4M的数组来了后，将无法存储，因为Eden区只剩下2M的剩余空间了，那么将会进行一次Young GC操作，将原来Eden区的内容，存放到Survivor区，但是Survivor区也存放不下，那么就会直接晋级存入Old 区

然后我们将4M对象存入到Eden区中

常用日志分析工具

保存日志文件

JVM参数：-XLoggc:./logs/gc.log， ./ 表示当前目录，在 IDEA中程序运行的当前目录是工程的根目录，而不是模块的根目录

可以用一些工具去分析这些GC日志 gc.log。常用的日志分析工具有：GCViewer、GCEasy、GCHisto、GCLogViewer、Hpjmeter、garbagecat等

推荐：GCeasy

在线分析网址：gceasy.io

GCViewer

垃圾回收器的新发展

GC仍然处于飞速发展之中，目前的默认选项G1 GC在不断的进行改进，很多我们原来认为的缺点，例如串行的Full GC、Card Table扫描的低效等，都已经被大幅改进，例如，JDK10以后，Fu11GC已经是并行运行，在很多场景下，其表现还略优于ParallelGC的并行Ful1GC实现。

即使是SerialGC，虽然比较古老，但是简单的设计和实现未必就是过时的，它本身的开销，不管是GC相关数据结构的开销，还是线程的开销，都是非常小的，所以随着云计算的兴起，在serverless等新的应用场景下，Serial Gc找到了新的舞台。

比较不幸的是CMS GC，因为其算法的理论缺陷等原因，虽然现在还有非常大的用户群体，但在JDK9中已经被标记为废弃，并在JDK14版本中移除（什么缺陷？）

现在G1回收器已成为默认回收器好几年了。我们还看到了引入了两个新的收集器：ZGC（JDK11出现）和Shenandoah（Open JDK12），其特点：主打低停顿时间

• Epsilon:A No-Op GarbageCollector（Epsilon垃圾回收器，"No-Op（无操作）"回收器）http://openidk.iava.net/iep s/318
• ZGC:A Scalable Low-Latency Garbage Collector（Experimental）（ZGC：可伸缩的低延迟垃圾回收器，处于实验性阶段）

现在G1回收器已成为默认回收器好几年了。我们还看到了引入了两个新的收集器：ZGC（JDK11出现）和 Shenandoah（Open JDK12）

这两个新诞生的收集器的主打特点都是：低停顿时间

Open JDK 12 的 Shenandoash GC

Shenandoash GC：低停顿时间的GC（实验性）

Shenandoah，无疑是众多GC中最孤独的一个。是第一款不由oracle公司团队领导开发的Hotspot垃圾收集器。不可避免的受到官方的排挤。比如号称openJDK和OracleJDk没有区别的Oracle公司仍拒绝在oracleJDK12中支持Shenandoah。

Shenandoah垃圾回收器最初由RedHat进行的一项垃圾收集器研究项目Pauseless GC的实现，旨在针对JVM上的内存回收实现低停顿的需求。在2014年贡献给OpenJDK。

Red Hat研发Shenandoah团队对外宣称，Shenandoah垃圾回收器的暂停时间与堆大小无关，这意味着无论将堆设置为200MB还是200GB，99.9%的目标都可以把垃圾收集的停顿时间限制在十毫秒以内。不过实际使用性能将取决于实际工作堆的大小和工作负载。

这是RedHat在2016年发表的论文数据，测试内容是使用Es对200GB的维基百科数据进行索引。从结果看：

停顿时间比其他几款收集器确实有了质的飞跃，但也未实现最大停顿时间控制在十毫秒以内的目标。
而吞吐量方面出现了明显的下降，总运行时间是所有测试收集器里最长的。

总结

• Shenandoah GC的弱项：高运行负担下的吞吐量下降。
• Shenandoah GC的强项：低延迟时间。

革命性的 ZGC

ZGC与Shenandoah目标高度相似，在尽可能对吞吐量影响不大的前提下，实现在任意堆内存大小下都可以把垃圾收集的停颇时间限制在十毫秒以内的低延迟。

《深入理解Java虚拟机》一书中这样定义ZGC：ZGC收集器是一款基于Region内存布局的，（暂时）不设分代的，使用了读屏障、染色指针和内存多重映射等技术来实现 可并发的标记-压缩算法 的， 以低延迟为首要目标 的一款垃圾收集器。

ZGC的工作过程可以分为4个阶段：并发标记 - 并发预备重分配 - 并发重分配 - 并发重映射 等。

ZGC几乎在所有地方并发执行的，除了初始标记的是STW的。所以停顿时间几乎就耗费在初始标记上，这部分的实际时间是非常少的。

吞吐量对比

• max-JOPS：以低延迟为首要前提下的数据
• critical-JOPS：不考虑低延迟下的数据

停顿时间对比

在ZGC的强项停顿时间测试上，它毫不留情的将Parallel、G1拉开了两个数量级的差距。无论平均停顿、95%停顿、998停顿、99. 98停顿，还是最大停顿时间，ZGC都能毫不费劲控制在10毫秒以内。

虽然ZGC还在试验状态，没有完成所有特性，但此时性能已经相当亮眼，用“令人震惊、革命性”来形容，不为过。未来将在服务端、大内存、低延迟应用的首选垃圾收集器。

JDK14之前，ZGC仅Linux才支持。尽管许多使用Z的GC用户都使用类Linux的环境，但在Windows和MacOS上，人们也需要ZGC进行开发部署和测试。许多桌面应用也可以从ZGC中受益。因此，ZGC特性被移植到了Windows和MacOS上。

现在Mac或Windows上也能使用ZGC了，示例如下：

-XX:+UnlockExperimentalVMOptions-XX：+UseZGC

AliGC

AliGC是阿里巴巴JVM团队基于G1算法，面向大堆（LargeHeap）应用场景。指定场景下的对比：

当然，其它厂商也提供了各种别具一格的GC实现，例如比较有名的低延迟GC Zing