《玩转JVM之垃圾收集器》

垃圾回收器分类方式

串行垃圾回收器(Serial)or并行垃圾回收器。
新生代垃圾回收器or老年代垃圾回收器
单进程垃圾回收器or多线程垃圾回收器

我们这里按串行和并行垃圾回收器进行介绍，主要讲述G1和CMS面试常问垃圾回收处理器。

《玩转JVM之垃圾收集器》

串行垃圾回收器-Serial

串行垃圾回收器特点：

只使用单线程进行GC(CPU只有一个，单线程的效率比较高，因为CPU比较专注。多线程得考虑页面切换问题)
独占式的GC（STW,Stop-The-World，为了获取停止时的快照，此时所有线程都会停止）

串行收集器是JVM Client模式下默认的垃圾收集器。

串行垃圾回收器回收示意图：单线程化

《玩转JVM之垃圾收集器》

JVM参数调整：

《玩转JVM之垃圾收集器》

启用指定垃圾收集器：

《玩转JVM之垃圾收集器》

针对各个时期采用的算法：

《玩转JVM之垃圾收集器》

并行垃圾回收器-ParNew & ParallelGC& ParallelOldGc

将串行回收器多线程化,与串行回收器有相同的回收策略、算法、参数。（Parallel：水平的意思）

并行垃圾回收器回收示意图：多线程

《玩转JVM之垃圾收集器》

启用指定垃圾收集器：

《玩转JVM之垃圾收集器》

对各个时期采用的算法：

《玩转JVM之垃圾收集器》

并行回收器-CMS：

CMS垃圾回收步骤，共6步（有的也说7步，多了一步在并发预清理上）：

初始标记（Initial Mark）：从Roots开始标记根对象。（STW会导致所有的线程被停止）【关键点】
- 主要标记过程
  - 从GC Roots遍历可直达的老年代对象；
  - 遍历被新生代存活对象所引用的老年代对象。
- 程序执行情况
  - 支持单线程或并行标记。
  - 发生stop-the-world，暂停所有应用线程。
并发标记（Concurrent Mark）：在该阶段，GC线程和应用线程将并发执行。也就是说，在第一个阶段（Initial Mark）被暂停的应用线程将恢复运行。主要工作：通过遍历第一个阶段的存活对象，标记老年代中剩下的所有对象。
- 由于在并发标记阶段，应用线程和GC线程是并发执行的，因此可能产生新的对象或对象关系发生变化
  - 老年代对象的引用关系发生变更；
  - 直接在老年代分配对象；
  - 新生代的对象晋升到老年代；等
对于这些对象，需要重新标记以防止被遗漏。为了提高重新标记的效率，本阶段会把这些发生变化的对象所在的Card标识为Dirty，这样后续就只需要扫描这些Dirty Card的对象，从而避免扫描整个老年代。

并发预清理（Concurrent Preclean）：在并发预清理阶段，将会重新扫描标记的Dirty对象，并标记被Dirty对象直接或间接引用的对象，然后清除Card标识。标记被Dirty对象直接或间接引用的对象，清除Dirty对象的Card标识。(有的文章写7个阶段，多出来的那一阶段在这里。)
可中止的并发预清理（Concurrent Abortable Preclean）：本阶段尽可能承担更多的并发预处理工作，从而减轻在Final Remark阶段的stop-the-world。
- 在该阶段，主要循环的做两件事：
  - 处理 From 和 To 区的对象，标记可达的老年代对象；
  - 和上一个阶段一样，扫描处理Dirty Card中的对象。
- 具体执行多久，取决于许多因素，满足其中一个条件将会中止运行：
  - 执行循环次数达到了阈值；
  - 执行时间达到了阈值；
  - 新生代Eden区的内存使用率达到了阈值。
重新标记（Final Remark）：预清理阶段也是并发执行的，并不一定是所有存活对象都会被标记，因为在并发标记的过程中对象及其引用关系还在不断变化中。因此，需要有一个stop-the-world的阶段来完成最后的标记工作，这就是重新标记阶段（CMS标记阶段的最后一个阶段）。主要目的是重新扫描之前并发处理阶段的所有残留更新对象。
- 主要工作：
  - 遍历新生代对象，重新标记；（新生代会被分块，多线程扫描）
  - 根据GC Roots，重新标记；
  - 遍历老年代的Dirty Card，重新标记。这里的Dirty Card，大部分已经在预清理阶段被处理过了。
并发清理(Concurrent Sweep)：并发清理阶段，主要工作是清理所有未被标记的死亡对象，回收被占用的空间。【关键点】
并发重置(Concurrent Reset)：将清理并恢复在CMS GC过程中的各种状态，重新初始化CMS相关数据结构，为下一个垃圾收集周期做好准备。

总结：在并发清理前，我们所有的工作都是为了标记存活对象，清理死亡对象只有在并发清理进行。

《玩转JVM之垃圾收集器》

收集器JVM参数：

《玩转JVM之垃圾收集器》

G1垃圾回收器

G1全称Garbage First Garbage Collector，优先回收垃圾比例最高的区域（分区算法）。G1收集器将堆划分为多个区域，每次收集部分区域来减少GC产生的停顿时间。JDK1,7引入，不同于其他垃圾回收处理器，他是直接负责全代（包括新生代和老年代）。

GC收集过程

第一阶段：新生代GC
第二阶段：并发标记周期
第三阶段：混合收集。
第四阶段：Full GC（非必须）

G1第一阶段：新生代GC

当Eden区被占满,新生代GC就会被启动。
回收后,Edenl区会被清空,Survio会保留一部分数据。
部分新生代对象会普升到老年代。

《玩转JVM之垃圾收集器》

G1第二阶段：并发标记周期

看过程会发现很眼熟，这是因为G1是在CMS的基础上改进而来，在JDK1.7的时候引入的，下面来说一下经历的六个过程：

初始标记（Initial Mark）：从Roots开始标记根对象。（STW会导致所有的线程被停止）【关键点】

主要标记过程
- 从GC Roots遍历可直达的老年代对象；
- 遍历被新生代存活对象所引用的老年代对象。
事实上G1并不会立即发起并发标记周期，而是等待下一次年轻代收集，利用年轻代收集的STW时间段，完成初始标记，这种方式称为借道(Piggybacking)，然后对 Survivor 区（root region）进行标记，因为该区可能存在对老年代的引用，下面是官方文档的中文翻译：

初始标记(Initial Mark)负责标记所有能被直接可达的根对象(原生栈对象、全局对象、JNI对象)，
根是对象图的起点，因此初始标记需要将Mutator线程(Java应用线程)暂停掉，也就是需要一个STW的时间段。
事实上，当达到IHOP阈值时，G1并不会立即发起并发标记周期，而是等待下一次年轻代收集，
利用年轻代收集的STW时间段，完成初始标记，这种方式称为借道(Piggybacking)。在初始标记暂停中，
分区的NTAMS都被设置到分区顶部Top，初始标记是并发执行，直到所有的分区处理完。

这个阶段就是从根结点遍历出可直达的老年对象。

根区域扫描(Root Region Scanning)：因为先进行了一次 YGC，所以当前年轻代只有 Survivor 区有存活对象，它被称为根引用区。扫描 Survivor 到老年代的引用，该阶段必须在下一次 Young GC 发生前结束。下面是官方文档的中文翻译：

在初始标记暂停结束后，年轻代收集也完成的对象复制到Survivor的工作，应用线程开始活跃起来。
此时为了保证标记算法的正确性，所有新复制到Survivor分区的对象，都需要被扫描并标记成根，
这个过程称为根分区扫描(Root Region Scanning)，同时扫描的Suvivor分区也被称为根分区(Root Region)。
根分区扫描必须在下一次年轻代垃圾收集启动前完成(并发标记的过程中，可能会被若干次年轻代垃圾收集打断)，
因为每次GC会产生新的存活对象集合。

PS：这个阶段不能发生年轻代收集，如果中途 Eden 区真的满了，也要等待这个阶段结束才能进行 Young GC。

这个阶段做的一件事就是扫描并且标记Survivor区直接能够到达老年代的对象。

《玩转JVM之垃圾收集器》

并发标记（Concurrent Mark）：在该阶段，GC线程和应用线程将并发执行。也就是说，在第一个阶段（Initial Mark）被暂停的应用线程将恢复运行。主要工作：通过遍历第一个阶段的存活对象，标记老年代中剩下的所有对象。

由于在并发标记阶段，应用线程和GC线程是并发执行的，因此可能产生新的对象或对象关系发生变化
- 老年代对象的引用关系发生变更；
- 直接在老年代分配对象；
- 新生代的对象晋升到老年代；等
对于这些对象，需要重新标记以防止被遗漏。为了提高重新标记的效率，本阶段会把这些发生变化的对象所在的Card标识为Dirty，这样后续就只需要扫描这些Dirty Card的对象，从而避免扫描整个老年代。

和应用线程并发执行，并发标记线程在并发标记阶段启动，由参数-XX:ConcGCThreads(默认GC线程数的1/4，
即-XX:ParallelGCThreads/4)控制启动数量，每个线程每次只扫描一个分区，从而标记出存活对象图。
在这一阶段会处理Previous/Next标记位图，扫描标记对象的引用字段。
同时，并发标记线程还会定期检查和处理STAB全局缓冲区列表的记录，更新对象引用信息。
参数-XX:+ClassUnloadingWithConcurrentMark会开启一个优化，如果一个类不可达(不是对象不可达)，
则在重新标记阶段，这个类就会被直接卸载。所有的标记任务必须在堆满前就完成扫描，如果并发标记耗时很长，
那么有可能在并发标记过程中，又经历了几次年轻代收集。如果堆满前没有完成标记任务，则会触发担保机制，
经历一次长时间的串行Full GC。

PS：与CMS不同的是这个阶段是并发执行的，中间可以发生多次 Young GC，Young GC 会中断标记过程。

这个阶段做的一件事就是循环遍历第一个阶段的存活对象，标记整个堆剩下的所有存活对象。

重新标记（Final Remark）：先stop-the-world，完成最后的存活对象标记。使用了比 CMS 收集器更加高效的 snapshot-at-the-beginning (SATB) 算法。

主要工作：
- 遍历新生代对象，重新标记；（新生代会被分块，多线程扫描）
- 根据GC Roots，重新标记；
- 遍历老年代的Dirty Card，重新标记。这里的Dirty Card，大部分已经在预清理阶段被处理过了。

重新标记(Remark)是最后一个标记阶段。在该阶段中，G1需要一个暂停的时间，
  去处理剩下的SATB日志缓冲区和所有更新，找出所有未被访问的存活对象，同时安全完成存活数据计算。
  这个阶段也是并行执行的，通过参数-XX:ParallelGCThread可设置GC暂停时可用的GC线程数。
  同时，引用处理也是重新标记阶段的一部分，
  所有重度使用引用对象(弱引用、软引用、虚引用、最终引用)的应用都会在引用处理上产生开销。

独占清理（cleanup）：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。为下阶段做铺垫。是STW的。（类似于分区算法，将区域分为一个个小区块，根据存活对象和死亡对象比例进行回收）

并发清理（Concurrent Sweep）：识别并清理完全空闲的区域。

G1第三阶段：混合收集

G1收集过程：因为Full GC是非必须的，所以G1收集过程一直都是这三个阶段重复运行。

《玩转JVM之垃圾收集器》

混合收集（Mixed GC）：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。

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(可以通过-XX:G1MixedGCCountTarget设置)被回收。
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,越会被先回收 。并且有一个阈值会决定内存分段是否被回收。-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。

《玩转JVM之垃圾收集器》

JVM参数：

《玩转JVM之垃圾收集器》

第四阶段：Full GC（非必须）

G1的初衷就是要避免Full GC的出现。按时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。

要避免Full GC的发生,一旦发生需要进行调整。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，可能原因如下：

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。

文章最后再给大家送上JVM常用调优参数：

《玩转JVM之垃圾收集器》

至此，垃圾回收器就讲完了，如果文章还有什么不足之处，请各位读者进行反馈，我会根据反馈对文章进行修改和完善。

《玩转JVM之垃圾收集器》