JVM學習記錄：垃圾收集演算法

垃圾回收要解決的問題：

1. 哪些內存需要回收？

線程私有區域不需要回收，如PC、Stack、Native Stack；Java 堆和方法區需要

1. 什麼時候回收？

以後的文章解答

1. 如何回收？

首先進行對象存活性的分析，然後利用GC回收演算法進行回收，具體演算法請看下文。

如何判斷對象是否可以回收？

有兩種方式：引用計數演算法和可達性分析演算法，目前主流商業JVM普遍採用可達性分析演算法

引用計數演算法

引用計數演算法顧名思義，為對象的引用計數，每當有一地方引用它時，計數器加1，引用失效（離開作用域時）減1，當計數器值為0時，對象就可以被回收了。引用計數演算法優點是判定效率高，缺點是無法解決對象互相引用的問題，使用此技術進行內存管理的技術有微軟的COM、Flash、Python等

可達性分析演算法

可達性分析演算法，基本思路是以GC Roots為根、向下搜索，所走過的路徑成為引用鏈（Reference Chain），當一個對象到GC
Roots沒有任何引用鏈可達時，就成為此對象不可用，即可以被回收。注意再注意：該演算法的本質是通過找出所有活對象來把其餘空間認定為「無用」，而不是找出所有死掉的對象並回收它們佔用的空間。分代式GC是一種部分收集（partial
collection）的做法。在執行部分收集時，從GC堆的非收集部分指向收集部分的引用，也必須作為GC
roots的一部分。具體到分兩代的分代式GC來說，如果第0代叫做young gen，第1代叫做old gen，那麼如果有minor GC /
young GC只收集young gen里的垃圾，則young gen屬於「收集部分」，而old gen屬於「非收集部分」，那麼從old
gen指向young gen的引用就必須作為minor GC / young GC的GC roots的一部分。

可以作為GC Roots的對象包括：

1. 虛擬機棧 VM Stack 中局部變數表（Local Variables）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. 所有當前被載入的Java類

5. Java類的運行時常量池裡的引用類型常量（String或Class類型）

6. String常量池（StringTable）里的引用

7. VM的一些靜態數據結構里指向GC堆里的對象的引用，例如說HotSpot VM里的Universe里有很多這樣的引用。

8. 本地方法棧中JNI（Native方法）引用的對象

對象引用類型的不同對存活周期的影響：

JDK1.2之後，引用概念得到了擴展，分為強引用Strong、軟引用Soft、弱引用Weak、虛引用Phantom

1. 強引用：一般未指定的，都是強引用，包括Object o = new Object()，只要滿足存活演算法，就不會被回收

2. 軟引用：表示有用但非必須的對象，這些對象在系統將要發生溢出異常之前，進行一次回收，如果回收到還沒有足夠的空間，再拋出異常。

3. 弱引用：其關聯的對象只能生存到下一次垃圾回收之前。

4. 虛引用：不會影響對象的生存時間，也就是說生存時間與強引用一樣，設置虛引用的目的是得到垃圾回收的通知

生存還是死亡？

存活演算法之後，不可達的對象被標記，並進行一次篩選，篩選的條件是「是否有必要執行finalize」，當對象沒有覆蓋此方法或此方法已經被調用過，都將視為沒有必要執行，如果有必要執行，該對象將被放在一個稱為F--Queue的隊列中，並被一個虛擬機建立的線程去執行finalize方法，如果在方法中該對象成功建立了與GC
Roots的引用鏈，他就可以從待回收列表中移除，並繼續存活。

回收方法區

方法區採用永久代實現，相比堆，尤其是新生代，方法區回收的性價比極低，永久代的垃圾回收主要回收廢棄常量和無用的類，參數-verbose：class可以查看類載入和卸載情況

垃圾回收演算法

標記-清除演算法Mark Sweep

先標記，再刪除，缺點是空間利用率低，清除之後會產生大量不連續的內存碎片，浪費內存空間。

複製演算法

將內存分為使用和待用兩部分，當使用部分快滿時，將還存活的對象複製到另外待用部分，然後堆整個使用區域進行回收，優點是回收不會出現內存碎片、缺點是浪費了待用區域的內存空間。商業虛擬機以這種演算法為基礎進行了優化，以HotSpot為例，將內存分為較大的Eden空間和兩個較小的Survivor空間，比例默認是8:1:1，可以通過參數調節，每次使用Eden和一塊Survivor空間，回收時，將這兩個空間存活的對象複製到剩餘的一塊Survivor空間中，並清理掉Eden和第一塊Survivor空間，也就是說可用空間達到了90%，只浪費了10%，這裡有個問題，如果存活對象的超過Survivor空間怎麼辦，這時要依賴一種被稱為分配擔保的機制(Handle
Promotion)，將多出的對象分配到老年代。

標記整理演算法

適用於老年代這種存活率高的空間，相比標記清除演算法，標記階段一致，只不過在標記後，會對可回收對象進行整理，讓存活對象向內存一個方向聚集，然後直接清理掉編輯額外的內存。

分代收集演算法

根據存活周期的不同將內存劃分為幾塊，一般把java堆分為新生代和老年代，然後根據不同年代的特點選擇最適合的演算法，比如新生代中的對象朝生夕滅，只有少量存活，比較適合複製演算法，而老年代中對象存活率高，沒有額外空間提供分配擔保，必須使用標記-清除或標記-整理演算法進行回收。

HotSpot演算法實現

枚舉根節點

程序的執行是動態的，與之相關的引用關係也是動態的，所以GC
roots的枚舉和分析必須在一個能保證一致性的快照下進行，JVM是依賴被稱為GC停頓的機制實現，在這個時間點會停頓所有的Java執行線程，即俗稱的」Stop
The World「，GC
Roots的枚舉過程並不是在內存中便利所有對象和執行上下文，那樣效率無疑會很低，其實在Class載入和解析的工作中，HotSpot已經使用一組稱為OopMap的結構對GC
Roots進行標記，這樣在GC過程中即可直接獲得Roots信息。

安全點 SafePoint

那麼GC停頓是如何讓線程暫停的呢？有一個關鍵的概念叫安全點，顧名思義是指一些特定的位置，當線程運行到這些位置時，線程的一些狀態可以被確定(the
thread"s representation of it"s Java machine state is well
described)，比如記錄OopMap的狀態，從而確定GC Root的信息，使JVM可以安全的進行一些操作，比如開始GC。

另一個問題是GC如何讓線程在安全點上停頓下來，有兩種方式可選，一種是搶先式中斷，GC主動中斷所有線程，發現有線程中斷的地方不在安全點上，就恢複線程，讓它繼續跑到安全點上，一種是主動式中斷，GC不主動中斷線程，而是設置一個標誌，線程執行時主動去輪詢這個標誌，發現標誌為真就自動掛起，輪詢標誌和安全點是重合的。

safepoint指的特定位置主要有:

1. 循環的末尾 (防止大循環的時候一直不進入safepoint，而其他線程在等待它進入safepoint)

2. 方法返回前

3. 調用方法的call之後

4. 拋出異常的位置

安全區域 SafeRegion

安全點沒有解決一個問題，就是當線程不執行的時候（如進入Sleep或Blocked狀態），這時候線程無法響應JVM的中斷請求，這就需要安全區域這種機制來解決。安全區域是指一段代碼範圍，這個範圍內任何位置引用關係都不會發生變化，也就是說在這些位置進行GC是安全的，你可以把安全區域看成被擴展了的安全點。

線程在進入安全區域後會標識自己已經進入了安全區域，這樣GC就會忽略這個線程，同樣離開安全區域時，線程要檢查GC是否完成了根節點枚舉，如果完成，線程繼續進行，否則繼續等待。

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