垃圾回收的常見算法
- 2.1 引用計數法
- 2.2 標記清除法
- 2.3 標記壓縮算法
- 2.4 復制算法
- 2.5 分代算法
- 3 垃圾收集器以及內存分配
- 3.1 串行垃圾收集器
- 3.1.1 編寫測試代碼
- 3.1.2 設置垃圾回收為串行收集器
- 3.2 並行垃圾收集器
- 3.2.1 ParNew垃圾收集器
- 3.2.2 ParallelGC垃圾收集器
- 3.3 CMS垃圾收集器
- 3.3.1 測試
- 3.4 G1垃圾收集器（重點）
- 3.4.1 原理
- 3.4.2 Young GC
- 3.4.2.1 Remembered Set（已記憶集合）
- 3.4.3 Mixed GC
- 3.4.3.1 全局並發標記
- 3.4.3.2 拷貝存活對象
- 3.4.4 G1收集器相關參數
- 3.4.5 測試
- 3.4.6 對於G1垃圾收集器優化建議
- 4 可視化GC日志分析工具
自動化的管理內存資源，垃圾回收機制必須要有一套算法來進行計算，那些是有效的對象，那些是無效的對象，對於無效的對象
就要進行回收處理。
常見的垃圾回收算法有 ：引用計數法、標記清除法、標記壓縮法、復制算法、分代算法等。
2.1.1 原理
假設有一個對象A，任何一個對象對A的引用，那么對象A的引用計數器+1，當引用失敗時，對象A的引用計數器就-1，如果對象A的計算器的值
為0，就說明對象A沒有引用了，可以被回收。如圖所示
2.1.2 優缺點
優點 ：
1、實時性較高，無需等到內存不夠的時候，才開始回收，運行時根據對象的計數器是否為0，就可以直接回收。
2、在垃圾回收過程中，應用無需掛起。如果申請內存時，內存不足，則立刻報outofmember錯誤。
3、區域性，更新對象的計數器時，只是影響到該對象，不會掃描全部對象。
缺點 ：
1、每次對象唄引用時，都需要去更新計數器，有一點時間開銷。
2、浪費CPU資源，即使內存夠用，任然在運行時進行計數器的統計。
3、無法解決循環引用問題。（最大的缺點）
雖然a和b都為null，但是由於a和b存在循環引用，這樣a和b永遠都不回被回收。
這張圖代表的是程序運行期間所有對象的狀態，它們的標志位全部是0（也就是未標記，以下默認0就是未標記，1為已標記），
假設這會兒有效內存空間耗盡了，JVM將會停止應用程序的運行並開啟GC線程，然后開始進行標記工作，按照根搜索算法，標記完以后，對象的狀態如下圖。
可以看到，按照根搜索算法，所有從root對象可達的對象就被標記為存活的對象，此時已經完成了第一階段標記。接下來，就要
執行第二階段清除了，那么清除完以后，剩下的對象以及對象的狀態如下圖所示。
可以看到，沒有被標記的對象將會回收清除掉，而被標記的對象將會留下，並且會將標記重新歸0.接下來就不用說了，喚醒停止
的程序線程，讓程序繼續運行即可。
可以看到，標記清除算法解決了引用計數算法中的循環引用的問題，沒有從root節點引用的對象都會被回收。同樣，標記清除算法也是有缺點的 ：
1、效率較低，標記和清除兩個動作都需要遍歷所有的對象，並且在GC時，需要停止應用程序，對於交互性要求比較高的應用
而言這個體驗是非常差的。
2、通過標記清除算法清理出來的內容，碎片化較為嚴重，因為被回收的對象可能存在於內存的各個角落，所以清理出來的內存是不連貫的。
標記壓縮算法是在標記清除算法的基礎之上，做了優化改進的算法。和標記清除算法一樣，也是從根節點開始，對對象的引用進行標記，在清理階段，並不是簡單的清理未標記的對象，而是將存活的對象壓縮到內存的一端，然后清理邊界以外的垃圾，從而解決了碎片化的問題。
優缺點同標記清除算法，解決了標記清除算法的碎片化的問題，同時，標記壓縮算法多了一步，對象移動內存位置的步驟，其效率也有一定的影響。
復制算法的核心就是，將原有的內存空間一分為二，每次只用其中的一塊，在垃圾回收時，將正在使用的對象復制到另一個內存空間中，然后將該內存空間清空，交換兩個內存的角色，完成垃圾的回收。
如果內存中的垃圾對象較多，需要復制的對象就較少，這種情況下適合使用該方式並且效率比較高，反之，則不適合。 
1、在GC開始的時候，對象只會存在於Eden區和名為“From”的Survivor區，Survivor區“To”是空的。
2、緊接着進行GC，Eden區中所有存活的對象都會被復制到“To”，而在“From”區中，仍存活的對象會根據它們的年齡值來決定去向。年齡達到一定值（年齡閥值，可以通過-XX:MaxTenuringThreshold來設置）的對象會被移動到年老代中，沒有達到閥值的對象會被復制到“To”區域。
3、經過這次GC后，Eden區和From區已經被清空。這個時候，“From”和“To”會交換他們的角色，也就是新的“To”就是上次GC前的“From”，新的“From”就是上次GC前的“To”。不管怎樣，都會保證名為To的Survivor區域是空的。
4、GC會一直重復這樣的過程，直到“To”區被填滿，“To”區被填滿之后，會將所有對象移動到年老代中。
2.4.2 優缺點
優點 ：
1、在垃圾對象多的情況下，效率較高。
2、清理后，內存無碎片。
缺點 ：
1、在垃圾對象少的情況下，不適用，如 ：老年代內存。
2、分配的2塊內存空間，在同一時刻，只能使用一半，內存使用率較低。
2.5 分代算法
前面介紹了很多種回收算法，每一種算法都有自己的優點也有缺點，誰都不能替代誰，所以根據垃圾回收對象的特點進行選擇，才是明智的選擇。
分代算法其實就是這樣的，根據回收對象的特點進行選擇，在jvm中，年輕代適合使用復制算法，老年代適合使用標記清除或標記壓縮算法。
在jvm中，實現了多種垃圾收集器，包括 ：串行垃圾收集器、並行垃圾收集器、CMS（並發）垃圾收集器、G1垃圾收集器。
串行垃圾收集器，是指使用單線程進行垃圾回收，垃圾回收時，只有一個線程在工作，並且java應用中的所有線程都要暫停，等待垃圾回收的完成。這種現象稱之為STW （Stop-The-World）
對於交互性較強的應用而言，這種垃圾收集器是不能夠接受的。
一般在javaweb應用中是不會采用該收集器的。
3.1.2 設置垃圾回收為串行收集器
在程序運行參數中添加2個參數，如下 ：
-XX:+UseSerialGC : 指定年輕代和老年代都使用串行垃圾收集器
-XX:+PrintGCDetails : 打印垃圾回收的詳細信息
為了測試GC，將堆的初始和最大內存都設置為16M
-XX:+UseSerialGC -XX:+PrintGCDetails -Xms16m -Xmx16m
啟動程序，可以看到下面信息 ：
GC日志信息解讀 ：
年輕代的內存GC前后的大小 ：
DefNew : 表示使用的是串行垃圾收集器。
Allocation Failure : 表示內存分配失敗。
4416K -> 512K(4928K) : 表示，年輕代GC前，占有4416K內存，GC后，占有512K內存，總大小4928K。
0.0046102 secs : 表示GC所用的時間，單位為毫秒。
4416K->1973K(15872K) : 表示，GC前，堆內存占有4416K，GC后，占有1973K，總大小為15872K。
Full GC ：表示，內存空間全部進行GC
3.2 並行垃圾收集器
並行垃圾收集器在串行垃圾收集器的基礎之上做了改進，將單線程改為了多線程進行垃圾回收，這樣可以縮短垃圾回收的時間。（這里是指，
並行能力較強的機器）
當然了，並行垃圾收集器在收集的過程中也會暫停應用程序，這個和串行垃圾回收器是一樣的，只是並行執行，速度更快些，暫停的時間
更短一些。
3.2.1 ParNew垃圾收集器
ParNew垃圾收集器是僅僅工作在年輕代上，只是將串行的垃圾收集器改為了並行。
通過-XX:+UseParNewGC參數設置年輕代使用ParNew回收器，老年代使用的依然是串行收集器。
參數 ：
-XX:+UseParNewGC -XX:+PrintGCDetails -Xms16m -Xmx16m
打印出的信息
由以上信息可以看出，ParNew : 使用的是ParNew收集器。其他信息和串行收集器一致。
3.2.2 ParallelGC垃圾收集器
ParallelGC收集器工作機制和ParNewGC收集器一樣，只是在此基礎之上新增了兩個和系統吞吐量相關的參數，使得其使用起來更加的靈
活和高效。
相關參數如下 ：
-XX:+UseParellelGC
年輕代使用ParallelGC垃圾回收器，老年代使用串行回收器。
-XX:+UseParallelOldGC
年輕代使用ParallelGC垃圾回收器，老年代使用ParallelOldGC垃圾回收器。
-XX:MaxGCPauseMillis
設置最大的垃圾收集時的停頓時間，單位為毫秒。
需要注意的是，ParallelGC為了達到設置的停頓時間，可能會調整堆大小或其他的參數，如果堆的大小設置的較小，就會導致GC工作
變的很頻繁，反而可能會影響到性能。
該參數使用需謹慎。
-XX:+GCTimeRatio
設置垃圾回收時間占程序運行時間的百分比，公式為1/(1 + n)。
它的值為0 ~ 100之間的數字，默認值是99，也就是垃圾回收時間不能超過1%。
-XX:UseAdaptiveSizePolicy
自適應GC模式，垃圾回收器將自動調整新生代、老年代等參數，達到吞吐量、堆大小、停頓時間之間的平衡。
一般用於，手動調整參數比較困難的場景，讓收集器自動進行調整。
參數 ：
-XX:+UseParallelGC
-XX:+UseParallelOldGC
-XX:MaxGCPauseMillis=100
-XX:+PrintGCDetails
-Xms16m
-Xmx16m
有以上信息可以看出，年輕代和老年代都使用了ParallelGC垃圾回收器。
3.3 CMS垃圾收集器
CMS全稱Concurrent Mark Sweep，是一款並發的、使用標記-清除算法的垃圾回收器，該回收器是針對老年代垃圾回收的，通過參數-XX:+
UseConcMarkSweepGC進行設置。
CMS垃圾回收器的執行過程如下 ：
初始化標記（CMS-initial-mark），標記root，會導致stw；
並發標記（CMS-concurrent-mark），與用戶線程同時運行；
預清理（CMS-concurrent-preclean），與用戶線程同時運行；
重新標記（CMS-remark），會導致stw；
並發清除（CMS-concurrent-sweep），與用戶線程同時運行；
調整堆大小，設置CMS在清理之后進行內存壓縮，目的是清理內存中的碎片；
並發重置狀態等待下次CMS的觸發（CMS-concurrent-reset），與用戶線程同時運行；
由以上日志信息，可以看出CMS執行的過程。
3.4 G1垃圾收集器（重點）
G1垃圾收集器是在jdk1.7中正式使用的全新的垃圾收集器，oracle官方計划在jdk9中將G1變成默認的垃圾
收集器，以替代CMS。
G1的設計原則就是簡化JVM性能調優，開發人員只需要簡單的三步即可完成調優 ：
1. 第一步，開啟G1垃圾收集器
2. 第二步，設置堆的最大內存
3. 第三部，設置最大的停頓時間
G1中提供了三種模式垃圾回收模式，Young GC、Mixed GC和Full GC，在不同的條件下被觸發。
3.4.1 原理
G1垃圾收集器相對比其他收集器而言，最大的區別在於它取消了年輕代、老年代的物理划分，取而代之的是將堆划分為若
干個區域（Region），這些區域中包含了有邏輯上的年輕代、老年代區域。
這樣做的好處就是，我們再也不用單獨的空間對每個代進行設置了，不用擔心每個代內存是否足夠。
在G1划分的區域中，年輕代的垃圾收集依然采用暫停所有應用線程的方式，將存活對象拷貝到老年代或者Survivor空間，G1
收集器通過將對象從一個區域復制到另外一個區域，完成了清理工作。
這就意味着，在正常的處理過程中，G1完成了堆的壓縮（至少是部分堆的壓縮），這樣也就不會有cms內存碎片問題的存在了。
在G1，有一個特殊的區域，叫Humongous區域。
如果一個對象占用的空間超過了分區容量50%以上，G1收集器就認為這是一個巨型對象。
這些巨型對象，默認直接會被分配在老年代，但是如果它是一個短期存在的巨型對象，就會對垃圾收集器造成影響。
為了解決這個問題，G1划分了一個Humongous區，它用來專門存放巨型對象。如果一個H區裝不下一個巨型對象，那么G1
會尋找連續的H分區來存儲。為了能找到連續的H區，有時候不得不啟動Full GC。
Young GC主要是對Eden區進行GC，它在Eden空間耗盡時會被觸發。
Eden空間的數據移動到Survivor空間中，如果Survivor空間不夠，Eden空間的部分數據會直接晉升到年老代空間。
Survivor區的數據移動到新的Survivor區中，也有部分數據晉升到老年代空間中。
最終Eden空間的數據為空，GC停止工作，應用線程繼續執行。 
3.4.2.1 Remembered Set（已記憶集合）
在GC年輕代的對象時，我們如何找到年輕代中對象的根對象呢？
根對象可能是在年輕代中，也可以在老年代中，那么老年代中的所有對象都是根么？
如果全量掃描老年代，那么這樣掃描下來會耗費大量的時間。
於是，G1引進了RSet的概念。它的全稱是Remenbreed Set，其作用是跟蹤指向某個堆內的對象引用。
每個Region初始化時，會初始化一個RSet，該集合用來記錄並跟蹤其它Region指向該Region中對象的引用，每個Region默認
按照512kb划分成多個Card，所以RSet需要記錄的東西應該是xx Region的xx Card。
每個RSet集合就是記錄每個Region中對象被引用的信息。這樣尋找根對象時直接掃描RSet集合就行。
3.4.3 Mixed GC
當越來越多的對象晉升到老年代old region時，為了避免堆內存被耗盡，虛擬機會觸發一個混合的垃圾收集器，即Mixed GC，
該算法並不是一個Old GC，除了回收整個YoungRegin，還會回收一部分的Old Region，這里需要注意 ：是一部分老年代，而
不是全部老年代，可以選擇那些old region進行收集，從而可以對垃圾回收的耗時時間進行控制。也要注意的是Mixed GC並不是
Full GC。
Mixed GC什么時候觸發？由參賽-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=n 決定。默認 ：45%，該參數的意思是 ：當老年代大小
占整個堆大小百分比達到該閥值時觸發。
它的GC步驟分2步 ：
1 . 全局並發標記（global concurrent marking）
2 . 拷貝存活對象（evacuation）
3.4.3.1 全局並發標記
全局並發標記，執行過程分為五個步驟 ：
初始標記（initial mark,STW）
標記從根節點直接可達的對象，這個階段會執行一次年輕代GC，會產生全局停頓。
根區域掃描（root region scan）
G1 GC在初始標記的存活區掃描對老年代的引用，並標記被引用的對象。
該階段與應用程序（非STW）同時運行，並且只有完成該階段后，才能開始下一次STW年輕代垃圾回收。
並發標記（Concurrent Marking）
G1 GC在整個堆中查找可訪問的（存活的）對象。該階段與應用程序同時運行，可以被STW年輕代垃圾回收中斷。
重新標記（Renark，STW）
該階段是STW回收，因為程序在運行，針對上一次的標記進行修正。
清除垃圾（Cleanup，STW）
清除和重置標記狀態，該階段會STW，這個階段並不會實際上去做垃圾的收集，等待evacuation 階段來回收。
Evacuation階段是全暫停的。該階段把一部分Region里的活對象拷貝到另一部分Region中，從而實現垃圾的回收清理。
3.4.4 G1收集器相關參數
-XX:+UseG1GC
使用G1垃圾收集器
-XX:MaxGCPauseMillis
設置期望達到的最大GC停頓時間指標（JVM會盡力實現，但不保證達到），默認值是200毫秒。
-XX:G1HeapRegionSize=n
設置的G1區域的大小。值時2的冪，范圍是1MB到32MB之間。目標是根據最小的Java堆大小划分出約2048個區域。
默認是堆內存的1/2000。
-XX:ConcGCThreads=n
設置並行標記的線程數。將n設置為並行垃圾回收線程數（ParallelGCThreads）的1/4左右。
-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=n
設置觸發標記周期的Java堆占有率閥值。默認占用率是整個Java堆的45%。
3.4.6 對於G1垃圾收集器優化建議
年輕代大小
避免使用-Xmn選項或-XX:NewRatio等其他相關選項顯示設置年輕代大小。
固定年輕代的大小會覆蓋暫停時間目標。
暫停時間目標不要太過嚴苛
G1 GC的吞吐量目標是90%的應用程序時間和10%的垃圾回收時間。
評估G1 GC的吞吐量時，暫停時間目標不要太嚴苛。目標太多嚴苛表示您願意承受更多的垃圾回收開銷，而這會直接影響到吞吐量。
4.1 GC日志輸出參數
前面通過-XX:+PrintGCDetail可以對GC日志進行打印，我們就可以在控制台查看，這樣雖然可以查看GC的信息，但是並不直觀，可以借助於
第三方的GC的日志分析工具進行查看。
在日志打印輸出設計到的參數如下 ：
-XX:+PrintGC 輸出GC日志
-XX:+PrintGCDetails 輸出GC的詳細日志
-XX:+PrintGCTimeStamps 輸出GC的時間戳（以基准時間的形式）
-XX:+PrintGCDateStamps 輸出GC的時間戳（以日期的形式，如2013-05-04T21:53:59.234+0800)
-XX:+PrintHeapAtGC 在進行GC的前后打印出堆的信息
-Xloggc:../logs/gc.log 日志文件的輸出路徑
測試 ：
-XX:+UseG1GC -XX:MaxGCPauseMillis=100 -Xmx256m -XX:+PrintGCDetails
-XX:+PrintGCTimeStamps -XX:+PrintGCDateStamps -XX:+PrintHeapAtGC
-Xloggc:F://test//gc.log
運行后就可以在F盤下生成gc.log文件。
這個是顯示JVM堆的總大小、年輕代大小、老年代大小。
這個是顯示GC停頓時間和吞吐率
各個GC執行情況
