前面兩篇我們學(xué)習(xí)了 JVM 運行時數(shù)據(jù)區(qū)、堆的分代模型。我們知道堆是存放對象的主戰(zhàn)場也是 GC 工作的核心區(qū)域。 C/C 需要手動malloc申請內(nèi)存、free釋放內(nèi)存一旦忘記釋放就會造成內(nèi)存泄漏。Java 最大的優(yōu)勢就是自帶自動垃圾回收機制由 JVM 幫我們識別無效對象、回收內(nèi)存。但是 GC 并不是一個黑盒面試非常愛問JVM 憑什么知道對象已經(jīng)沒用有哪些 GC 算法各個收集器有什么差別并發(fā)標記的時候業(yè)務(wù)線程還在跑怎么防止誤回收存活對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)。回顧前置知識點 GC 主要回收Java 堆方法區(qū)元空間GC 條件苛刻只有 FullGC 才會嘗試卸載類虛擬機棧、本地方法棧、程序計數(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。 簡單一句話JVM 自動識別堆中不再被使用的對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 都會觸發(fā) STW。 含義GC 工作線程開始執(zhí)行回收時除 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)運行。STW 會帶來業(yè)務(wù)停頓接口響應(yīng)變長這也是 GC 調(diào)優(yōu)的核心目標盡量降低 STW 的停頓時長減少對業(yè)務(wù)的影響。評價 GC 收集器兩大核心指標吞吐量吞吐量 業(yè)務(wù)代碼執(zhí)行時間 /業(yè)務(wù)執(zhí)行時間 GC 耗時 吞吐量越高代表 CPU 更多時間在執(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。停頓時間單次 GC 造成業(yè)務(wù)線程暫停的時長。CMS、G1、ZGC 這類收集器優(yōu)先追求低停頓適合互聯(lián)網(wǎng)對響應(yīng)時間敏感的業(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、如何判斷對象可以被回收GC 第一件事區(qū)分哪些對象還在使用存活哪些對象已經(jīng)沒有引用垃圾。有兩種經(jīng)典算法引用計數(shù)法、可達性分析算法。HotSpot 采用可達性分析算法。2.1 引用計數(shù)法原理給每一個對象維護一個引用計數(shù)器有引用指向這個對象計數(shù)器 1引用斷開、賦值為 null計數(shù)器 - 1計數(shù)器 0判定為垃圾可以回收優(yōu)點實現(xiàn)簡單回收即時Python、OC 等語言使用。致命缺陷無法解決循環(huán)引用問題循環(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互相引用計數(shù)器都不為0引用計數(shù)算法識別不出這是垃圾 } }這就是 HotSpot 不選用引用計數(shù)法的根本原因。2.2 可達性分析算法HotSpot 使用核心思路定義一組起始根節(jié)點叫做GC-Root。從 GC-Root 出發(fā)沿著引用鏈遍歷能遍歷到達的對象存活對象不能回收遍歷不到、引用鏈斷裂的對象垃圾對象可以回收循環(huán)引用的對象只要沒有 GC-Root 可達就會被判定為垃圾正?；厥?。必背哪些可以作為 GC-Root虛擬機棧里面棧幀局部變量表引用的對象方法內(nèi)局部變量方法區(qū)中 static 靜態(tài)變量引用的對象正在運行的活躍 Java 線程JNI 本地方法棧中 native 引用的對象舉個例子public void test(){ User u new User(); }u在虛擬機棧局部變量表是 GC-Roottest 執(zhí)行結(jié)束棧幀出棧這個引用消失User 對象失去 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 中的工程實現(xiàn)。3.1 標記 - 清除 Mark-Sweep兩個階段標記、清除標記從 GC-Root 遍歷標記所有存活對象清除遍歷堆釋放所有未標記的垃圾對象優(yōu)點邏輯簡單缺點需要兩次掃描堆效率一般產(chǎn)生大量內(nèi)存碎片堆空閑內(nèi)存總量足夠但沒有連續(xù)空間存放大對象依然會 OOM應(yīng)用CMS 老年代底層就是標記清除算法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 時把這塊內(nèi)存里存活對象復(fù)制到另一塊空閑區(qū)域然后直接清空原來這塊內(nèi)存。優(yōu)點復(fù)制完成后內(nèi)存連續(xù)規(guī)整沒有內(nèi)存碎片分配對象速度快缺點理論上浪費一半內(nèi)存如果對象存活率很高復(fù)制大量對象開銷巨大HotSpot 新生代巧妙使用 Eden 兩塊 Survivor8:1:1規(guī)避 50% 內(nèi)存浪費新生代對象朝生夕死、存活率低非常適合復(fù)制算法。3.3 標記 - 整理 Mark-Compact標記標記全部存活對象整理把存活對象全部向內(nèi)存一側(cè)移動、壓縮邊界以外的空間直接回收優(yōu)點沒有內(nèi)存碎片不需要預(yù)留雙倍內(nèi)存缺點移動對象并且修改所有指向這個對象的引用地址對象存活率高的時候開銷很大應(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)對象存活時長把堆分成新生代、老年代不同區(qū)域選用最合適算法新生代對象短命、存活率低 →復(fù)制算法老年代對象長壽、存活率高 →標記清除 / 標記整理四、Java 的四種引用面試高頻Java 把引用劃分成 4 個強度等級用來靈活控制對象什么時候被 GC 回收。4.1 強引用 StrongReference我們?nèi)粘懘a默認都是強引用。只要強引用鏈存在GC 永遠不會回收對象。User user new User();只有user null切斷強引用對象才具備回收資格。4.2 軟引用 SoftReference特點內(nèi)存快要 OOM 之前才會回收軟引用指向的對象內(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內(nèi)存緊張自動釋放。SoftReferenceUser softRef new SoftReference(new User()); User user softRef.get(); // 內(nèi)存充足返回對象OOM前回收后返回null典型場景本地緩存框架。4.3 弱引用 WeakReference特點只要發(fā)生 GC不管內(nèi)存夠不夠都會回收僅被弱引用關(guān)聯(lián)的對象。WeakReferenceUser weakRef new WeakReference(new User()); User user weakRef.get();典型場景WeakHashMap比如 ThreadLocal 里面的 key 就是弱引用。4.4 虛引用 PhantomReference幻影引用特點調(diào)用 get () 永遠返回 null拿不到對象本身。 唯一作用對象被 GC 回收的時候收到通知用來做資源后置清理。 必須配合ReferenceQueue引用隊列使用。ReferenceQueueUser queue new ReferenceQueue(); PhantomReferenceUser phantomRef new PhantomReference(new User(), queue);典型場景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機典型場景強引用不會主動回收普通業(yè)務(wù)對象軟引用OOM 之前回收內(nèi)存敏感緩存弱引用只要 GC 就回收WeakHashMap、ThreadLocal key虛引用對象回收時入隊列通知堆外內(nèi)存資源監(jiān)控五、主流垃圾收集器版本基線 JDK8 默認Parallel Scavenge Parallel Old JDK9G1 成為默認收集器 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老年代標記整理單線程 GC 全程 STW只有一個 GC 線程工作適合資源有限的客戶端程序。 啟動參數(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 默認目標優(yōu)先高吞吐量Parallel Scavenge新生代復(fù)制算法多線程回收Parallel Old老年代標記整理多線程回收 適合后臺計算型任務(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 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)用戶線程同時運行5.4 CMS Concurrent Mark Sweep 并發(fā)標記清除定位老年代收集器追求低停頓底層標記清除算法JDK14 已經(jīng)刪除。一般搭配 ParNew 新生代。 CMS 四個階段初始標記STW只標記 GC-Root 直接相連的對象速度很快并發(fā)標記GC 線程和業(yè)務(wù)線程并發(fā)運行遍歷完整引用鏈重新標記STW修正并發(fā)階段業(yè)務(wù)線程修改引用帶來的標記錯誤并發(fā)清除GC 線程和業(yè)務(wù)線程并發(fā)清除垃圾優(yōu)點大部分階段并發(fā)停頓短缺點標記清除產(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)留不足會觸發(fā)并發(fā)模式失敗退化到 Serial Old長時間 FullGCCMS 解決并發(fā)標記漏標方案增量更新寫屏障5.5 G1 Garbage-FirstJDK9 之后默認收集器用來替代 CMS。 核心設(shè)計把整個 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 巨型對象區(qū)。Humongous 區(qū)對象大小超過 Region 一半直接放這里不走 Eden 分配。G1 四大特點支持并行、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記整理、局部復(fù)制幾乎沒有內(nèi)存碎片可預(yù)測停頓用戶設(shè)置預(yù)期最大停頓時間-XX:MaxGCPauseMillis200后臺統(tǒng)計每個 Region 回收收益優(yōu)先回收收益最高的 Region盡量滿足停頓目標G1 回收四階段初始標記STW標記 GC-Root 直達對象并發(fā)標記和業(yè)務(wù)線程并發(fā)做可達性分析最終標記STW處理 Remembered Set 日志篩選回收STW按收益排序選定一批 Region復(fù)制存活對象回收G1 解決漏標方案SATB 原始快照寫屏障會產(chǎn)生浮動垃圾放到下一輪 GC 清理G1 常用參數(shù)-XX:UseG1GC -XX:G1HeapRegionSize4M -XX:MaxGCPauseMillis2005.6 ZGCJDK11 實驗JDK15 轉(zhuǎn)正。目標是亞毫秒級 STW 停頓支持 TB 級超大堆犧牲少量吞吐量換取極低延遲。 核心技術(shù)染色指針把標記信息直接存放在對象指針里不用頻繁掃描對象頭。適合超大堆、延遲極其敏感的業(yè)務(wù)。六、三色標記并發(fā)標記核心CMS、G1 在并發(fā)標記階段業(yè)務(wù)線程還在跑不能全程 STW依靠三色標記完成可達性分析。 三種顏色代表對象掃描狀態(tài)白色還沒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)訪問該對象但是它引用的子對象還沒掃描完黑色對象本身 它所有引用的子對象全部掃描完畢并發(fā)標記帶來兩個經(jīng)典問題浮動垃圾某個對象標記完成變黑之后業(yè)務(wù)代碼切斷它所有引用。本輪 GC 已經(jīng)掃描完畢無法識別只能等到下一輪 GC 回收。浮動垃圾影響不大。漏標致命同時滿足兩個條件 ① 黑色對象新增引用指向白色對象 ② 灰色對象刪除對這個白色對象的引用 結(jié)果白色對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增量更新黑色對象新增白色引用時記錄這個引用重新標記階段再掃描破壞條件①G1SATB 原始快照引用刪除的時候把原來被引用對象記錄下來當(dāng)作存活對象破壞條件②代價是產(chǎn)生浮動垃圾七、收集器選型總結(jié)客戶端、小應(yīng)用SerialJDK8 批處理、計算密集、追求高吞吐ParallelJDK8 延遲敏感業(yè)務(wù)ParNew CMS注意 JDK14 之后無 CMSJDK9 絕大多數(shù)線上業(yè)務(wù)G1平衡吞吐和停頓首選TB 級大堆、極致低延遲ZGC沒有萬能收集器一切以業(yè)務(wù)需求、JDK 版本、堆大小為基準。八、本篇面試真題匯總引用計數(shù)法的缺點可達性分析的 GC-Root 有哪些標記清除、復(fù)制、標記整理算法各自優(yōu)缺點適用場景強、軟、弱、虛引用區(qū)別和使用場景CMS 的四個階段優(yōu)缺點并發(fā)模式失敗是什么G1 的 Region、Humongous 對象是什么可預(yù)測停頓怎么實現(xiàn)STW 是什么吞吐量、停頓時間的含義三色標記黑白灰含義浮動垃圾和漏標是什么增量更新和 SATB 分別是哪個收集器使用解決什么問題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)。下一篇進入實戰(zhàn)線上故障排查CPU 飆高、死鎖、OOMJDK 自帶工具 Arthas 全套實戰(zhàn)流程。