前面兩篇我們學(xué)習(xí)了 JVM 運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)、堆的分代模型。我們知道堆是存放對(duì)象的主戰(zhàn)場(chǎng)也是 GC 工作的核心區(qū)域。 C/C 需要手動(dòng)malloc申請(qǐng)內(nèi)存、free釋放內(nèi)存一旦忘記釋放就會(huì)造成內(nèi)存泄漏。Java 最大的優(yōu)勢(shì)就是自帶自動(dòng)垃圾回收機(jī)制由 JVM 幫我們識(shí)別無(wú)效對(duì)象、回收內(nèi)存。但是 GC 并不是一個(gè)黑盒面試非常愛(ài)問(wèn)JVM 憑什么知道對(duì)象已經(jīng)沒(méi)用有哪些 GC 算法各個(gè)收集器有什么差別并發(fā)標(biāo)記的時(shí)候業(yè)務(wù)線程還在跑怎么防止誤回收存活對(duì)象這一篇我們從底層原理一步步拆解 GC是 JVM 調(diào)優(yōu)和面試最重要的一環(huán)?；仡櫱爸弥R(shí)點(diǎn) GC 主要回收J(rèn)ava 堆方法區(qū)元空間GC 條件苛刻只有 FullGC 才會(huì)嘗試卸載類虛擬機(jī)棧、本地方法棧、程序計(jì)數(shù)器屬于線程私有線程結(jié)束直接釋放不需要 GC。一、GC 基礎(chǔ)概念1.1 什么是 GCGC 全稱Garbage Collection垃圾回收。 簡(jiǎn)單一句話JVM 自動(dòng)識(shí)別堆中不再被使用的對(duì)象釋放它占用的堆內(nèi)存。1.2 STWStop-The-World世界暫?！局刂兄亍繋缀跛?GC 都會(huì)觸發(fā) STW。 含義GC 工作線程開(kāi)始執(zhí)行回收時(shí)除 GC 自身線程以外所有業(yè)務(wù)用戶線程全部暫停不執(zhí)行任何業(yè)務(wù)代碼GC 完成之后業(yè)務(wù)線程才恢復(fù)運(yùn)行。STW 會(huì)帶來(lái)業(yè)務(wù)停頓接口響應(yīng)變長(zhǎng)這也是 GC 調(diào)優(yōu)的核心目標(biāo)盡量降低 STW 的停頓時(shí)長(zhǎng)減少對(duì)業(yè)務(wù)的影響。評(píng)價(jià) GC 收集器兩大核心指標(biāo)吞吐量吞吐量 業(yè)務(wù)代碼執(zhí)行時(shí)間 /業(yè)務(wù)執(zhí)行時(shí)間 GC 耗時(shí) 吞吐量越高代表 CPU 更多時(shí)間在執(zhí)行業(yè)務(wù)而不是 GC。Parallel 系列收集器就是優(yōu)先追求高吞吐量。停頓時(shí)間單次 GC 造成業(yè)務(wù)線程暫停的時(shí)長(zhǎng)。CMS、G1、ZGC 這類收集器優(yōu)先追求低停頓適合互聯(lián)網(wǎng)對(duì)響應(yīng)時(shí)間敏感的業(yè)務(wù)。注意吞吐量和低停頓天然存在制衡很難同時(shí)做到極致。想要更低停頓往往要犧牲一部分吞吐量。二、如何判斷對(duì)象可以被回收GC 第一件事區(qū)分哪些對(duì)象還在使用存活哪些對(duì)象已經(jīng)沒(méi)有引用垃圾。有兩種經(jīng)典算法引用計(jì)數(shù)法、可達(dá)性分析算法。HotSpot 采用可達(dá)性分析算法。2.1 引用計(jì)數(shù)法原理給每一個(gè)對(duì)象維護(hù)一個(gè)引用計(jì)數(shù)器有引用指向這個(gè)對(duì)象計(jì)數(shù)器 1引用斷開(kāi)、賦值為 null計(jì)數(shù)器 - 1計(jì)數(shù)器 0判定為垃圾可以回收優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單回收即時(shí)Python、OC 等語(yǔ)言使用。致命缺陷無(wú)法解決循環(huán)引用問(wèn)題循環(huán)引用演示代碼class Node { Node next; } public class RefCycleDemo { public static void main(String[] args) { Node n1 new Node(); Node n2 new Node(); n1.next n2; n2.next n1; // 切斷外部引用 n1 null; n2 null; // n1和n2互相引用計(jì)數(shù)器都不為0引用計(jì)數(shù)算法識(shí)別不出這是垃圾 } }這就是 HotSpot 不選用引用計(jì)數(shù)法的根本原因。2.2 可達(dá)性分析算法HotSpot 使用核心思路定義一組起始根節(jié)點(diǎn)叫做GC-Root。從 GC-Root 出發(fā)沿著引用鏈遍歷能遍歷到達(dá)的對(duì)象存活對(duì)象不能回收遍歷不到、引用鏈斷裂的對(duì)象垃圾對(duì)象可以回收循環(huán)引用的對(duì)象只要沒(méi)有 GC-Root 可達(dá)就會(huì)被判定為垃圾正常回收。必背哪些可以作為 GC-Root虛擬機(jī)棧里面棧幀局部變量表引用的對(duì)象方法內(nèi)局部變量方法區(qū)中 static 靜態(tài)變量引用的對(duì)象正在運(yùn)行的活躍 Java 線程JNI 本地方法棧中 native 引用的對(duì)象舉個(gè)例子public void test(){ User u new User(); }u在虛擬機(jī)棧局部變量表是 GC-Roottest 執(zhí)行結(jié)束棧幀出棧這個(gè)引用消失User 對(duì)象失去 GC-Root 鏈路滿足回收條件。三、三大基礎(chǔ) GC 算法算法是理論思想收集器是算法在 JVM 中的工程實(shí)現(xiàn)。3.1 標(biāo)記 - 清除 Mark-Sweep兩個(gè)階段標(biāo)記、清除標(biāo)記從 GC-Root 遍歷標(biāo)記所有存活對(duì)象清除遍歷堆釋放所有未標(biāo)記的垃圾對(duì)象優(yōu)點(diǎn)邏輯簡(jiǎn)單缺點(diǎn)需要兩次掃描堆效率一般產(chǎn)生大量?jī)?nèi)存碎片堆空閑內(nèi)存總量足夠但沒(méi)有連續(xù)空間存放大對(duì)象依然會(huì) OOM應(yīng)用CMS 老年代底層就是標(biāo)記清除算法3.2 復(fù)制算法 Copying原理將內(nèi)存分成兩塊只使用其中一塊GC 時(shí)把這塊內(nèi)存里存活對(duì)象復(fù)制到另一塊空閑區(qū)域然后直接清空原來(lái)這塊內(nèi)存。優(yōu)點(diǎn)復(fù)制完成后內(nèi)存連續(xù)規(guī)整沒(méi)有內(nèi)存碎片分配對(duì)象速度快缺點(diǎn)理論上浪費(fèi)一半內(nèi)存如果對(duì)象存活率很高復(fù)制大量對(duì)象開(kāi)銷巨大HotSpot 新生代巧妙使用 Eden 兩塊 Survivor8:1:1規(guī)避 50% 內(nèi)存浪費(fèi)新生代對(duì)象朝生夕死、存活率低非常適合復(fù)制算法。3.3 標(biāo)記 - 整理 Mark-Compact標(biāo)記標(biāo)記全部存活對(duì)象整理把存活對(duì)象全部向內(nèi)存一側(cè)移動(dòng)、壓縮邊界以外的空間直接回收優(yōu)點(diǎn)沒(méi)有內(nèi)存碎片不需要預(yù)留雙倍內(nèi)存缺點(diǎn)移動(dòng)對(duì)象并且修改所有指向這個(gè)對(duì)象的引用地址對(duì)象存活率高的時(shí)候開(kāi)銷很大應(yīng)用Serial Old、Parallel Old 老年代收集器3.4 分代收集算法分代并不是一種全新算法是上面三種算法的組合策略現(xiàn)代 JVM 的核心思想。 依據(jù)對(duì)象存活時(shí)長(zhǎng)把堆分成新生代、老年代不同區(qū)域選用最合適算法新生代對(duì)象短命、存活率低 →復(fù)制算法老年代對(duì)象長(zhǎng)壽、存活率高 →標(biāo)記清除 / 標(biāo)記整理四、Java 的四種引用面試高頻Java 把引用劃分成 4 個(gè)強(qiáng)度等級(jí)用來(lái)靈活控制對(duì)象什么時(shí)候被 GC 回收。4.1 強(qiáng)引用 StrongReference我們?nèi)粘懘a默認(rèn)都是強(qiáng)引用。只要強(qiáng)引用鏈存在GC 永遠(yuǎn)不會(huì)回收對(duì)象。User user new User();只有user null切斷強(qiáng)引用對(duì)象才具備回收資格。4.2 軟引用 SoftReference特點(diǎn)內(nèi)存快要 OOM 之前才會(huì)回收軟引用指向的對(duì)象內(nèi)存充足就保留。 適合做內(nèi)存敏感型緩存內(nèi)存夠就留著加速訪問(wèn)內(nèi)存緊張自動(dòng)釋放。SoftReferenceUser softRef new SoftReference(new User()); User user softRef.get(); // 內(nèi)存充足返回對(duì)象OOM前回收后返回null典型場(chǎng)景本地緩存框架。4.3 弱引用 WeakReference特點(diǎn)只要發(fā)生 GC不管內(nèi)存夠不夠都會(huì)回收僅被弱引用關(guān)聯(lián)的對(duì)象。WeakReferenceUser weakRef new WeakReference(new User()); User user weakRef.get();典型場(chǎng)景WeakHashMap比如 ThreadLocal 里面的 key 就是弱引用。4.4 虛引用 PhantomReference幻影引用特點(diǎn)調(diào)用 get () 永遠(yuǎn)返回 null拿不到對(duì)象本身。 唯一作用對(duì)象被 GC 回收的時(shí)候收到通知用來(lái)做資源后置清理。 必須配合ReferenceQueue引用隊(duì)列使用。ReferenceQueueUser queue new ReferenceQueue(); PhantomReferenceUser phantomRef new PhantomReference(new User(), queue);典型場(chǎng)景NIO 堆外直接內(nèi)存的回收監(jiān)控。匯總表格表格引用類型回收時(shí)機(jī)典型場(chǎng)景強(qiáng)引用不會(huì)主動(dòng)回收普通業(yè)務(wù)對(duì)象軟引用OOM 之前回收內(nèi)存敏感緩存弱引用只要 GC 就回收WeakHashMap、ThreadLocal key虛引用對(duì)象回收時(shí)入隊(duì)列通知堆外內(nèi)存資源監(jiān)控五、主流垃圾收集器版本基線 JDK8 默認(rèn)Parallel Scavenge Parallel Old JDK9G1 成為默認(rèn)收集器 JDK14正式移除 CMS JDK15ZGC 轉(zhuǎn)正5.1 Serial Serial Old串行收集器Serial新生代復(fù)制算法單線程 GCSerial Old老年代標(biāo)記整理單線程 GC 全程 STW只有一個(gè) GC 線程工作適合資源有限的客戶端程序。 啟動(dòng)參數(shù)-XX:UseSerialGC5.2 ParNew新生代收集器Serial 的多線程版本復(fù)制算法。唯一能夠和 CMS 老年代搭配的新生代收集器。 參數(shù)-XX:UseParNewGC、-XX:ParallelGCThreads指定 GC 線程數(shù)。5.3 Parallel Scavenge Parallel Old并行收集器JDK8 默認(rèn)目標(biāo)優(yōu)先高吞吐量Parallel Scavenge新生代復(fù)制算法多線程回收Parallel Old老年代標(biāo)記整理多線程回收 適合后臺(tái)計(jì)算型任務(wù)、批處理服務(wù)優(yōu)先榨干 CPU。 參數(shù)-XX:UseParallelGC區(qū)分并行和并發(fā) 并行多個(gè) GC 線程一起工作業(yè)務(wù)線程全部暫停STW 并發(fā)GC 線程和業(yè)務(wù)用戶線程同時(shí)運(yùn)行5.4 CMS Concurrent Mark Sweep 并發(fā)標(biāo)記清除定位老年代收集器追求低停頓底層標(biāo)記清除算法JDK14 已經(jīng)刪除。一般搭配 ParNew 新生代。 CMS 四個(gè)階段初始標(biāo)記STW只標(biāo)記 GC-Root 直接相連的對(duì)象速度很快并發(fā)標(biāo)記GC 線程和業(yè)務(wù)線程并發(fā)運(yùn)行遍歷完整引用鏈重新標(biāo)記STW修正并發(fā)階段業(yè)務(wù)線程修改引用帶來(lái)的標(biāo)記錯(cuò)誤并發(fā)清除GC 線程和業(yè)務(wù)線程并發(fā)清除垃圾優(yōu)點(diǎn)大部分階段并發(fā)停頓短缺點(diǎn)標(biāo)記清除產(chǎn)生內(nèi)存碎片并發(fā)階段占用 CPU吞吐量下降需要預(yù)留一部分老年代空間預(yù)留不足會(huì)觸發(fā)并發(fā)模式失敗退化到 Serial Old長(zhǎng)時(shí)間 FullGCCMS 解決并發(fā)標(biāo)記漏標(biāo)方案增量更新寫屏障5.5 G1 Garbage-FirstJDK9 之后默認(rèn)收集器用來(lái)替代 CMS。 核心設(shè)計(jì)把整個(gè) Java 堆切分成很多大小相等的 Region1~32M2 的冪。Region 角色分為 Eden、Survivor、Old、Humongous 巨型對(duì)象區(qū)。Humongous 區(qū)對(duì)象大小超過(guò) Region 一半直接放這里不走 Eden 分配。G1 四大特點(diǎn)支持并行、并發(fā)多核充分利用保留分代思想但新生代、老年代不再是連續(xù)整塊是一批 Region 集合空間整合整體標(biāo)記整理、局部復(fù)制幾乎沒(méi)有內(nèi)存碎片可預(yù)測(cè)停頓用戶設(shè)置預(yù)期最大停頓時(shí)間-XX:MaxGCPauseMillis200后臺(tái)統(tǒng)計(jì)每個(gè) Region 回收收益優(yōu)先回收收益最高的 Region盡量滿足停頓目標(biāo)G1 回收四階段初始標(biāo)記STW標(biāo)記 GC-Root 直達(dá)對(duì)象并發(fā)標(biāo)記和業(yè)務(wù)線程并發(fā)做可達(dá)性分析最終標(biāo)記STW處理 Remembered Set 日志篩選回收STW按收益排序選定一批 Region復(fù)制存活對(duì)象回收G1 解決漏標(biāo)方案SATB 原始快照寫屏障會(huì)產(chǎn)生浮動(dòng)垃圾放到下一輪 GC 清理G1 常用參數(shù)-XX:UseG1GC -XX:G1HeapRegionSize4M -XX:MaxGCPauseMillis2005.6 ZGCJDK11 實(shí)驗(yàn)JDK15 轉(zhuǎn)正。目標(biāo)是亞毫秒級(jí) STW 停頓支持 TB 級(jí)超大堆犧牲少量吞吐量換取極低延遲。 核心技術(shù)染色指針把標(biāo)記信息直接存放在對(duì)象指針里不用頻繁掃描對(duì)象頭。適合超大堆、延遲極其敏感的業(yè)務(wù)。六、三色標(biāo)記并發(fā)標(biāo)記核心CMS、G1 在并發(fā)標(biāo)記階段業(yè)務(wù)線程還在跑不能全程 STW依靠三色標(biāo)記完成可達(dá)性分析。 三種顏色代表對(duì)象掃描狀態(tài)白色還沒(méi)有掃描初始全部白色本輪結(jié)束白色就是垃圾灰色已經(jīng)訪問(wèn)該對(duì)象但是它引用的子對(duì)象還沒(méi)掃描完黑色對(duì)象本身 它所有引用的子對(duì)象全部掃描完畢并發(fā)標(biāo)記帶來(lái)兩個(gè)經(jīng)典問(wèn)題浮動(dòng)垃圾某個(gè)對(duì)象標(biāo)記完成變黑之后業(yè)務(wù)代碼切斷它所有引用。本輪 GC 已經(jīng)掃描完畢無(wú)法識(shí)別只能等到下一輪 GC 回收。浮動(dòng)垃圾影響不大。漏標(biāo)致命同時(shí)滿足兩個(gè)條件 ① 黑色對(duì)象新增引用指向白色對(duì)象 ② 灰色對(duì)象刪除對(duì)這個(gè)白色對(duì)象的引用 結(jié)果白色對(duì)象仍然存活但是被當(dāng)成垃圾回收引發(fā)空指針異常。兩種解決方案CMS增量更新黑色對(duì)象新增白色引用時(shí)記錄這個(gè)引用重新標(biāo)記階段再掃描破壞條件①G1SATB 原始快照引用刪除的時(shí)候把原來(lái)被引用對(duì)象記錄下來(lái)當(dāng)作存活對(duì)象破壞條件②代價(jià)是產(chǎn)生浮動(dòng)垃圾七、收集器選型總結(jié)客戶端、小應(yīng)用SerialJDK8 批處理、計(jì)算密集、追求高吞吐ParallelJDK8 延遲敏感業(yè)務(wù)ParNew CMS注意 JDK14 之后無(wú) CMSJDK9 絕大多數(shù)線上業(yè)務(wù)G1平衡吞吐和停頓首選TB 級(jí)大堆、極致低延遲ZGC沒(méi)有萬(wàn)能收集器一切以業(yè)務(wù)需求、JDK 版本、堆大小為基準(zhǔn)。八、本篇面試真題匯總引用計(jì)數(shù)法的缺點(diǎn)可達(dá)性分析的 GC-Root 有哪些標(biāo)記清除、復(fù)制、標(biāo)記整理算法各自優(yōu)缺點(diǎn)適用場(chǎng)景強(qiáng)、軟、弱、虛引用區(qū)別和使用場(chǎng)景CMS 的四個(gè)階段優(yōu)缺點(diǎn)并發(fā)模式失敗是什么G1 的 Region、Humongous 對(duì)象是什么可預(yù)測(cè)停頓怎么實(shí)現(xiàn)STW 是什么吞吐量、停頓時(shí)間的含義三色標(biāo)記黑白灰含義浮動(dòng)垃圾和漏標(biāo)是什么增量更新和 SATB 分別是哪個(gè)收集器使用解決什么問(wèn)題Parallel、CMS、G1、ZGC 怎么選型小貼士理解 GC 算法和收集器才能看懂 JVM 調(diào)優(yōu)參數(shù)。下一篇進(jìn)入實(shí)戰(zhàn)線上故障排查CPU 飆高、死鎖、OOMJDK 自帶工具 Arthas 全套實(shí)戰(zhàn)流程。