【基础篇】十四、GC算法

1、实现思路

Java实现垃圾回收的步骤：

• 根据GC Root对象可达性分析，将内存中对象标记为存活的、可回收的
• 处理可回收的对象，释放空间

2、SWT

GC是在一个单独的线程，但不管JVM用哪种算法，都会存在一个阶段需要停止所有的用户线程，称Stop The World（STW），SWT大，用户用起来自然卡。

感受下SWT：

public class StopTheWorld {

    public static void main(String[] args) {
        /**
         * 启动用户线程和GC线程
         * 查看不同阶段用户线程的执行时间
         */
        new PrintTimeThread().start();
        new ClearThread().start();
    }
}

/**
 * 模拟用户代码，这里直接打印这段代码的执行耗时
 */
class PrintTimeThread extends Thread {
    @SneakyThrows  //lombok的try..catch
    @Override
    public void run() {
        long begin = System.currentTimeMillis();
        while (true) {
            long now = System.currentTimeMillis();
            System.out.println(now - begin);
            begin = now;
            Thread.sleep(100);
        }
    }
}

/**
 * 模拟GC线程
 */
class ClearThread extends Thread {
    @SneakyThrows
    @Override
    public void run() {
        List<byte[]> list = new LinkedList<>();
        while (true) {
            //存80个100M后就删除里面byte对象的强引用，垃圾回收释放
            if(list.size() >= 80){
                list.clear();
            }
            list.add(new byte[1024 * 1024 * 100]);
            Thread.sleep(100);
        }
    }
}

添加JVM参数，使用分代回收的垃圾回收器，输出GC详细信息，并限制堆最大10G：

-XX:+UseSerialGC -Xmx10g -verbose:gc

运行发现用户线程本来100ms左右的事儿，有时候会被拖到2000ms以上：

3、GC算法

对象回收算法的评价标准：

• 吞吐量 = 执行用户代码时间 /（执行用户代码时间 + GC时间），值越大，性能越高
• 最大暂停时间：SWT的最大值

• 堆的使用效率：如复制算法只用一半空间

以上三个指标，不可兼得。各个算法各有长处，对应着不同的适用场景。

4、标记清除算法Mark Sweep GC

实现：

• 从GC Root List开始，遍历引用链，找到可达对象，并标记
• 清除没标记的对象

优点：

• 实现简单，只需给对象维护个标记位

缺点：

• 导致内存碎片化：从原本连续的内存空间，摘掉一些被回收的，得到一些碎片。如下回收了4+3+2，却连个5字节的对象都创建不了

• 分配速度慢：由于内存碎片化，需要维护一个空闲链表记录可用空间，新对象来了每次都得往后遍历，找出一块合适大小的地儿安置

5、复制算法Copying GC

实现：

• 堆内存一分为二，一半叫From，一半叫To
• 新对象来了往From安置
• GC时，把From的存活对象Copy到To

• 清掉From，From和To名字互换，原来的To做为新的From安置新new的对象

完整例子：

• 开始状态：

• GC开始，把GC Root对象和可达的对象搬到To空间
  

• 清掉From空间，并把原来的To改为From空间
  

一句话：将存活的对象搬运到另一块空间，清理掉当前空间，互换名字

优点：

• 解决了内存碎片化：往To搬的时候，按连续地址往过码
• 吞吐相比下面的标记整理算法要高：只需遍历一次存活对象。但不如标记-清除算法，因为后者不用给对象搬家

缺点：

• 堆内存使用率低：安置新对象只能用50%的堆空间，另一半得留着To

5、标记整理算法

也称标记压缩，用来解决标记清除算法的内存碎片化缺点。

实现：

• 从GC Root开始，遍历标记可达对象
• 将可达的存活对象移动到堆的一端，清掉非存活的

优点：

• 无内存碎片化问题：比标记清除多了一步整理
• 堆内存利用率比复制算法高

缺点：

• 理解阶段性能不高，得看整理阶段的实现算法

6、分代算法Generational GC

组合使用了上面的几种算法，被主流使用。分代即把内存分为年轻代和老年代：

关于这几块空间的大小设置：

Demo：

public class Gc {
    @SneakyThrows
    public static void main(String[] args) {
        List<Object> list = new ArrayList<>();
        int count = 0;
        while (true) {
            System.in.read();
            System.out.println(++count);
            list.add(new Byte[1024 * 1024]);
        }
    }
}

对应JVM的参数：

-XX:+UseSerialGC -Xms60m -Xmn20m -Xmx60m -XX:SurvivorRatio=3 -XX:+PrintGDetails

粗略计算：老年代60m - 20m = 40m，Eden除以随便一块s区 = 3，则Eden：s0：s1 = 12：4：4，使用阿尔萨斯执行memory验证：

7、分代的整体流程

• 新new的对象，安置到堆的年轻代的伊甸园区

• 伊甸园区满了以后，触发GC，仅是年轻代的GC（Minor GC、Young GC）
• 把Eden的存活对象放入S1（To），Eden区被清空（复制算法）

• 互换名，S0做为To，S1做为From，再安置新对象，直到Eden和From满

• 再次触发Minor GC，Eden和From存活对象放入S0，其余清掉回收（每次GC能活下来的，记录年龄，+1）

• 对象GC年龄到达阈值（最大15，对象头里放着，默认值和垃圾回收器有关），晋升到老年代。（一直活着就别在From和To之间来回搬了）

• 老年代最后也满了，新new的对象进来，先Minor GC，还是不足，再Full GC，对整个堆进行垃圾回收，此时的STW时间就比Minor GC时的SWT长一些了

• Full GC后，无法回收老年代对象，再往老年代放，就OOM

补充：如果现在新生代已经满了，Minor GC还是满，再来对象，尽管新生代有的对象没到达年龄阈值，也会被搬到老年代