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title: JVM系列-第10章-垃圾回收概述和相关算法
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- 1.内存与垃圾回收篇
keywords: JVM，虚拟机。
description: JVM系列-第10章-垃圾回收概述和相关算法。
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date: 2020-11-16 18:14:02
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垃圾回收概述
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1. Java 和 C++语言的区别，就在于垃圾收集技术和内存动态分配上，C++语言没有垃圾收集技术，需要程序员手动的收集。
2. 垃圾收集，不是Java语言的伴生产物。早在1960年，第一门开始使用内存动态分配和垃圾收集技术的Lisp语言诞生。
3. 关于垃圾收集有三个经典问题：
* 哪些内存需要回收？
* 什么时候回收？
* 如何回收？
4. 垃圾收集机制是Java的招牌能力，极大地提高了开发效率。如今，垃圾收集几乎成为现代语言的标配，即使经过如此长时间的发展，Java的垃圾收集机制仍然在不断的演进中，不同大小的设备、不同特征的应用场景，对垃圾收集提出了新的挑战，这当然也是面试的热点。
## 大厂面试题
### 蚂蚁金服
1. 你知道哪几种垃圾回收器，各自的优缺点，重点讲一下CMS和G1？
2. JVM GC算法有哪些，目前的JDK版本采用什么回收算法？
3. G1回收器讲下回收过程GC是什么？为什么要有GC？
4. GC的两种判定方法？CMS收集器与G1收集器的特点
### 百度
1. 说一下GC算法，分代回收说下
2. 垃圾收集策略和算法
### 天猫
1. JVM GC原理，JVM怎么回收内存
2. CMS特点，垃圾回收算法有哪些？各自的优缺点，他们共同的缺点是什么？
### 滴滴
1. Java的垃圾回收器都有哪些，说下G1的应用场景，平时你是如何搭配使用垃圾回收器的
### 京东
1. 你知道哪几种垃圾收集器，各自的优缺点，重点讲下CMS和G1，
2. 包括原理，流程，优缺点。垃圾回收算法的实现原理
### 阿里
1. 讲一讲垃圾回收算法。
2. 什么情况下触发垃圾回收？
3. 如何选择合适的垃圾收集算法？
4. JVM有哪三种垃圾回收器？
### 字节跳动
1. 常见的垃圾回收器算法有哪些，各有什么优劣？
2. System.gc()和Runtime.gc()会做什么事情？
3. Java GC机制？GC Roots有哪些？
4. Java对象的回收方式，回收算法。
5. CMS和G1了解么，CMS解决什么问题，说一下回收的过程。
6. CMS回收停顿了几次，为什么要停顿两次?
## 什么是垃圾？
1. 垃圾是指**在运行程序中没有任何指针指向的对象**，这个对象就是需要被回收的垃圾。
2. 外文：An object is considered garbage when it can no longer be reached from any pointer in the running program.
3. 如果不及时对内存中的垃圾进行清理，那么，这些垃圾对象所占的内存空间会一直保留到应用程序结束，被保留的空间无法被其他对象使用。甚至可能导致内存溢出。
**十几年前磁盘碎片整理的日子**
## 为什么需要GC？
**想要学习GC，首先需要理解为什么需要GC？**
1. 对于高级语言来说，一个基本认知是如果不进行垃圾回收，**内存迟早都会被消耗完**，因为不断地分配内存空间而不进行回收，就好像不停地生产生活垃圾而从来不打扫一样。
2. 除了释放没用的对象，垃圾回收也可以清除内存里的记录碎片。碎片整理将所占用的堆内存移到堆的一端，**以便JVM将整理出的内存分配给新的对象**。
3. 随着应用程序所应付的业务越来越庞大、复杂，用户越来越多，**没有GC就不能保证应用程序的正常进行**。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。
早期垃圾回收
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1. 在早期的C/C++时代，垃圾回收基本上是手工进行的。开发人员可以使用new关键字进行内存申请，并使用delete关键字进行内存释放。比如以下代码：
```c++
MibBridge *pBridge= new cmBaseGroupBridge（）；
//如果注册失败，使用Delete释放该对象所占内存区域
if（pBridge->Register（kDestroy）！=NO ERROR）
delete pBridge；
```
2. 这种方式可以灵活控制内存释放的时间，但是会给开发人员带来**频繁申请和释放内存的管理负担**。倘若有一处内存区间由于程序员编码的问题忘记被回收，那么就会产生**内存泄漏**，垃圾对象永远无法被清除，随着系统运行时间的不断增长，垃圾对象所耗内存可能持续上升，直到出现内存溢出并造成**应用程序崩溃**。
3. 有了垃圾回收机制后，上述代码极有可能变成这样
```c++
MibBridge *pBridge=new cmBaseGroupBridge();
pBridge->Register(kDestroy);
```
4. 现在，除了Java以外，C#、Python、Ruby等语言都使用了自动垃圾回收的思想，也是未来发展趋势，可以说这种自动化的内存分配和来及回收方式已经成为了现代开发语言必备的标准。
## Java 垃圾回收机制
### 自动内存管理
> **官网介绍**：https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/guides/vm/gctuning/toc.html
**自动内存管理的优点**
1. 自动内存管理，无需开发人员手动参与内存的分配与回收，这样降低内存泄漏和内存溢出的风险
1. 没有垃圾回收器，java也会和cpp一样，各种悬垂指针，野指针，泄露问题让你头疼不已。
3. 自动内存管理机制，将程序员从繁重的内存管理中释放出来，可以更专心地专注于业务开发
**关于自动内存管理的担忧**
1. 对于Java开发人员而言，自动内存管理就像是一个黑匣子，如果过度依赖于“自动”，那么这将会是一场灾难，最严重的就会**弱化Java开发人员在程序出现内存溢出时定位问题和解决问题的能力**。
2. 此时，了解JVM的自动内存分配和内存回收原理就显得非常重要，只有在真正了解JVM是如何管理内存后，我们才能够在遇见OutofMemoryError时，快速地根据错误异常日志定位问题和解决问题。
3. 当需要排查各种内存溢出、内存泄漏问题时，当垃圾收集成为系统达到更高并发量的瓶颈时，我们就必须对这些“自动化”的技术**实施必要的监控和调节**。
### 应该关心哪些区域的回收？
1. 垃圾收集器可以对年轻代回收，也可以对老年代回收，甚至是全栈和方法区的回收，
1. 其中，**Java堆是垃圾收集器的工作重点**
2. 从次数上讲：
1. 频繁收集Young区
2. 较少收集Old区
3. 基本不收集Perm区（元空间）
垃圾回收相关算法
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标记阶段：引用计数算法
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### 标记阶段的目的
**垃圾标记阶段：主要是为了判断对象是否存活**
1. 在堆里存放着几乎所有的Java对象实例，在GC执行垃圾回收之前，首先**需要区分出内存中哪些是存活对象，哪些是已经死亡的对象。**只有被标记为己经死亡的对象，GC才会在执行垃圾回收时，释放掉其所占用的内存空间，因此这个过程我们可以称为**垃圾标记阶段**。
3. 那么在JVM中究竟是如何标记一个死亡对象呢？简单来说，当一个对象已经不再被任何的存活对象继续引用时，就可以宣判为已经死亡。
4. 判断对象存活一般有两种方式：**引用计数算法**和**可达性分析算法**。
### 引用计数算法
1. 引用计数算法（Reference Counting）比较简单，对每个对象保存一个整型的引用计数器属性。用于记录对象被引用的情况。
2. 对于一个对象A，只要有任何一个对象引用了A，则A的引用计数器就加1；当引用失效时，引用计数器就减1。只要对象A的引用计数器的值为0，即表示对象A不可能再被使用，可进行回收。
3. 优点：实现简单，垃圾对象便于辨识；判定效率高，回收没有延迟性。
4. 缺点：
1. 它需要单独的字段存储计数器，这样的做法增加了**存储空间的开销**。
2. 每次赋值都需要更新计数器，伴随着加法和减法操作，这增加了**时间开销**。
3. 引用计数器有一个严重的问题，即**无法处理循环引用**的情况。这是一条致命缺陷，导致在Java的垃圾回收器中没有使用这类算法。
### 循环引用
当p的指针断开的时候，内部的引用形成一个循环，计数器都还算1，无法被回收，这就是循环引用，从而造成内存泄漏
### 证明：java使用的不是引用计数算法
```java
/**
* -XX:+PrintGCDetails
* 证明：java使用的不是引用计数算法
*/
public class RefCountGC {
//这个成员属性唯一的作用就是占用一点内存
private byte[] bigSize = new byte[5 * 1024 * 1024];//5MB
Object reference = null;
public static void main(String[] args) {
RefCountGC obj1 = new RefCountGC();
RefCountGC obj2 = new RefCountGC();
obj1.reference = obj2;
obj2.reference = obj1;
obj1 = null;
obj2 = null;
//显式的执行垃圾回收行为
//这里发生GC，obj1和obj2能否被回收？
System.gc();
}
}
```
* 如果不小心直接把`obj1.reference`和`obj2.reference`置为null。则在Java堆中的两块内存依然保持着互相引用，无法被回收
**没有进行GC时**
把下面的几行代码注释掉，让它来不及
```java
System.gc();//把这行代码注释掉
```
```
Heap
PSYoungGen total 38400K, used 14234K [0x00000000d5f80000, 0x00000000d8a00000, 0x0000000100000000)
eden space 33280K, 42% used [0x00000000d5f80000,0x00000000d6d66be8,0x00000000d8000000)
from space 5120K, 0% used [0x00000000d8500000,0x00000000d8500000,0x00000000d8a00000)
to space 5120K, 0% used [0x00000000d8000000,0x00000000d8000000,0x00000000d8500000)
ParOldGen total 87552K, used 0K [0x0000000081e00000, 0x0000000087380000, 0x00000000d5f80000)
object space 87552K, 0% used [0x0000000081e00000,0x0000000081e00000,0x0000000087380000)
Metaspace used 3496K, capacity 4498K, committed 4864K, reserved 1056768K
class space used 387K, capacity 390K, committed 512K, reserved 1048576K
Process finished with exit code 0
```
**进行GC**
打开那行代码的注释
```java
[GC (System.gc()) [PSYoungGen: 13569K->808K(38400K)] 13569K->816K(125952K), 0.0012717 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
[Full GC (System.gc()) [PSYoungGen: 808K->0K(38400K)] [ParOldGen: 8K->670K(87552K)] 816K->670K(125952K), [Metaspace: 3491K->3491K(1056768K)], 0.0051769 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
Heap
PSYoungGen total 38400K, used 333K [0x00000000d5f80000, 0x00000000d8a00000, 0x0000000100000000)
eden space 33280K, 1% used [0x00000000d5f80000,0x00000000d5fd34a8,0x00000000d8000000)
from space 5120K, 0% used [0x00000000d8000000,0x00000000d8000000,0x00000000d8500000)
to space 5120K, 0% used [0x00000000d8500000,0x00000000d8500000,0x00000000d8a00000)
ParOldGen total 87552K, used 670K [0x0000000081e00000, 0x0000000087380000, 0x00000000d5f80000)
object space 87552K, 0% used [0x0000000081e00000,0x0000000081ea7990,0x0000000087380000)
Metaspace used 3498K, capacity 4498K, committed 4864K, reserved 1056768K
class space used 387K, capacity 390K, committed 512K, reserved 1048576K
Process finished with exit code 0
```
1、从打印日志就可以明显看出来，已经进行了GC
2、如果使用引用计数算法，那么这两个对象将会无法回收。而现在两个对象被回收了，说明Java使用的不是引用计数算法来进行标记的。
### 小结
1. 引用计数算法，是很多语言的资源回收选择，例如因人工智能而更加火热的Python，它更是同时支持引用计数和垃圾收集机制。
2. 具体哪种最优是要看场景的，业界有大规模实践中仅保留引用计数机制，以提高吞吐量的尝试。
3. Java并没有选择引用计数，是因为其存在一个基本的难题，也就是很难处理循环引用关系。
4. Python如何解决循环引用？
* 手动解除：很好理解，就是在合适的时机，解除引用关系。
* 使用弱引用weakref，weakref是Python提供的标准库，旨在解决循环引用。
标记阶段：可达性分析算法
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**可达性分析算法：也可以称为根搜索算法、追踪性垃圾收集**
1. 相对于引用计数算法而言，可达性分析算法不仅同样具备实现简单和执行高效等特点，更重要的是该算法可以有效地**解决在引用计数算法中循环引用的问题，防止内存泄漏的发生**。
2. 相较于引用计数算法，这里的可达性分析就是Java、C#选择的。这种类型的垃圾收集通常也叫作**追踪性垃圾收集**（Tracing Garbage Collection）
### 可达性分析实现思路
- 所谓"GCRoots”根集合就是一组必须活跃的引用
- 其基本思路如下：
1. 可达性分析算法是以根对象集合（GCRoots）为起始点，按照从上至下的方式**搜索被根对象集合所连接的目标对象是否可达。**
2. 使用可达性分析算法后，内存中的存活对象都会被根对象集合直接或间接连接着，搜索所走过的路径称为**引用链**（Reference Chain）
3. 如果目标对象没有任何引用链相连，则是不可达的，就意味着该对象己经死亡，可以标记为垃圾对象。
4. 在可达性分析算法中，只有能够被根对象集合直接或者间接连接的对象才是存活对象。
### GC Roots可以是哪些元素？
1. 虚拟机栈中引用的对象
- 比如：各个线程被调用的方法中使用到的参数、局部变量等。
2. 本地方法栈内JNI（通常说的本地方法）引用的对象
3. 方法区中类静态属性引用的对象
- 比如：Java类的引用类型静态变量
4. 方法区中常量引用的对象
- 比如：字符串常量池（StringTable）里的引用
5. 所有被同步锁synchronized持有的对象
6. Java虚拟机内部的引用。
- 基本数据类型对应的Class对象，一些常驻的异常对象（如：NullPointerException、OutofMemoryError），系统类加载器。
7. 反映java虚拟机内部情况的JMXBean、JVMTI中注册的回调、本地代码缓存等。
1. 总结一句话就是，除了堆空间的周边，比如：虚拟机栈、本地方法栈、方法区、字符串常量池等地方对堆空间进行引用的，都可以作为GC Roots进行可达性分析
2. 除了这些固定的GC Roots集合以外，根据用户所选用的垃圾收集器以及当前回收的内存区域不同，还可以有其他对象“临时性”地加入，共同构成完整GC Roots集合。比如：**分代收集**和局部回收（PartialGC）。
- 如果只针对Java堆中的某一块区域进行垃圾回收（比如：典型的只针对新生代），必须考虑到内存区域是虚拟机自己的实现细节，更不是孤立封闭的，这个区域的对象完全有可能被其他区域的对象所引用，这时候就需要一并将关联的区域对象也加入GC Roots集合中去考虑，才能保证可达性分析的准确性。
**小技巧**
由于Root采用栈方式存放变量和指针，所以如果一个指针，它保存了堆内存里面的对象，但是自己又不存放在堆内存里面，那它就是一个Root。
### 注意
1. 如果要使用可达性分析算法来判断内存是否可回收，那么分析工作必须在一个能保障一致性的快照中进行。这点不满足的话分析结果的准确性就无法保证。
2. 这点也是导致GC进行时必须“Stop The World”的一个重要原因。即使是号称（几乎）不会发生停顿的CMS收集器中，**枚举根节点时也是必须要停顿的**。
## 对象的 finalization 机制
### finalize() 方法机制
**对象销毁前的回调函数：finalize()**
1. Java语言提供了对象终止（finalization）机制来允许开发人员提供**对象被销毁之前的自定义处理逻辑**。
2. 当垃圾回收器发现没有引用指向一个对象，即：垃圾回收此对象之前，总会先调用这个对象的finalize()方法。
3. finalize() 方法允许在子类中被重写，**用于在对象被回收时进行资源释放**。通常在这个方法中进行一些资源释放和清理的工作，比如关闭文件、套接字和数据库连接等。
Object 类中 finalize() 源码
// 等待被重写
protected void finalize() throws Throwable { }
1. 永远不要主动调用某个对象的finalize()方法，应该交给垃圾回收机制调用。理由包括下面三点：
1. 在finalize()时可能会导致对象复活。
2. finalize()方法的执行时间是没有保障的，它完全由GC线程决定，极端情况下，若不发生GC，则finalize()方法将没有执行机会。
3. 一个糟糕的finalize()会严重影响GC的性能。比如finalize是个死循环
3. 从功能上来说，finalize()方法与C++中的析构函数比较相似，但是Java采用的是基于垃圾回收器的自动内存管理机制，所以finalize()方法在**本质上不同于C++中的析构函数**。
3. finalize()方法对应了一个finalize线程，因为优先级比较低，即使主动调用该方法，也不会因此就直接进行回收
### 生存还是死亡？
由于finalize()方法的存在，**虚拟机中的对象一般处于三种可能的状态。**
1. 如果从所有的根节点都无法访问到某个对象，说明对象己经不再使用了。一般来说，此对象需要被回收。但事实上，也并非是“非死不可”的，这时候它们暂时处于“缓刑”阶段。**一个无法触及的对象有可能在某一个条件下“复活”自己**，如果这样，那么对它立即进行回收就是不合理的。为此，定义虚拟机中的对象可能的三种状态。如下：
1. 可触及的：从根节点开始，可以到达这个对象。
2. 可复活的：对象的所有引用都被释放，但是对象有可能在finalize()中复活。
3. 不可触及的：对象的finalize()被调用，并且没有复活，那么就会进入不可触及状态。不可触及的对象不可能被复活，**因为finalize()只会被调用一次**。
4. 以上3种状态中，是由于finalize()方法的存在，进行的区分。只有在对象不可触及时才可以被回收。
### 具体过程
判定一个对象objA是否可回收，至少要经历两次标记过程：
1. 如果对象objA到GC Roots没有引用链，则进行第一次标记。
2. 进行筛选，判断此对象是否有必要执行finalize()方法
1. 如果对象objA没有重写finalize()方法，或者finalize()方法已经被虚拟机调用过，则虚拟机视为“没有必要执行”，objA被判定为不可触及的。
2. 如果对象objA重写了finalize()方法，且还未执行过，那么objA会被插入到F-Queue队列中，由一个虚拟机自动创建的、低优先级的Finalizer线程触发其finalize()方法执行。
3. finalize()方法是对象逃脱死亡的最后机会，稍后GC会对F-Queue队列中的对象进行第二次标记。如果objA在finalize()方法中与引用链上的任何一个对象建立了联系，那么在第二次标记时，objA会被移出“即将回收”集合。之后，对象会再次出现没有引用存在的情况。在这个情况下，finalize()方法不会被再次调用，对象会直接变成不可触及的状态，也就是说，一个对象的finalize()方法只会被调用一次。
**通过 JVisual VM 查看 Finalizer 线程**
### 代码演示 finalize() 方法可复活对象
我们重写 CanReliveObj 类的 finalize()方法，在调用其 finalize()方法时，将 obj 指向当前类对象 this
```java
/**
* 测试Object类中finalize()方法，即对象的finalization机制。
*
*/
public class CanReliveObj {
public static CanReliveObj obj;//类变量，属于 GC Root
//此方法只能被调用一次
@Override
protected void finalize() throws Throwable {
super.finalize();
System.out.println("调用当前类重写的finalize()方法");
obj = this;//当前待回收的对象在finalize()方法中与引用链上的一个对象obj建立了联系
}
public static void main(String[] args) {
try {
obj = new CanReliveObj();
// 对象第一次成功拯救自己
obj = null;
System.gc();//调用垃圾回收器
System.out.println("第1次 gc");
// 因为Finalizer线程优先级很低，暂停2秒，以等待它
Thread.sleep(2000);
if (obj == null) {
System.out.println("obj is dead");
} else {
System.out.println("obj is still alive");
}
System.out.println("第2次 gc");
// 下面这段代码与上面的完全相同，但是这次自救却失败了
obj = null;
System.gc();
// 因为Finalizer线程优先级很低，暂停2秒，以等待它
Thread.sleep(2000);
if (obj == null) {
System.out.println("obj is dead");
} else {
System.out.println("obj is still alive");
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
```
**如果注释掉finalize()方法**
```java
//此方法只能被调用一次
@Override
protected void finalize() throws Throwable {
super.finalize();
System.out.println("调用当前类重写的finalize()方法");
obj = this;//当前待回收的对象在finalize()方法中与引用链上的一个对象obj建立了联系
}
```
输出结果：
```java
第1次 gc
obj is dead
第2次 gc
obj is dead
```
**放开finalize()方法**
输出结果：
```java
第1次 gc
调用当前类重写的finalize()方法
obj is still alive
第2次 gc
obj is dead
```
第一次自救成功，但由于 finalize() 方法只会执行一次，所以第二次自救失败
MAT与JProfiler的GC Roots溯源
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### MAT 介绍
1. MAT是Memory Analyzer的简称，它是一款功能强大的Java堆内存分析器。用于查找内存泄漏以及查看内存消耗情况。
2. MAT是基于Eclipse开发的，是一款免费的性能分析工具。
3. 大家可以在http://www.eclipse.org/mat/下载并使用MAT
> 1、虽然Jvisualvm很强大，但是在内存分析方面，还是MAT更好用一些
>
> 2、此小节主要是为了实时分析GC Roots是哪些东西，中间需要用到一个dump的文件
### 获取 dump 文件方式
**方式一：命令行使用 jmap**
**方式二：使用JVisualVM**
1. 捕获的heap dump文件是一个临时文件，关闭JVisualVM后自动删除，若要保留，需要将其另存为文件。可通过以下方法捕获heap dump：
2. 操作步骤下面演示
### 捕捉 dump 示例
#### 使用JVisualVM捕捉 heap dump
代码：
* numList 和 birth 在第一次捕捉内存快照的时候，为 GC Roots
* 之后 numList 和 birth 置为 null ，对应的引用对象被回收，在第二次捕捉内存快照的时候，就不再是 GC Roots
```java
public class GCRootsTest {
public static void main(String[] args) {
List