GC算法和常见垃圾回收器

一、GC算法

GC Algorithms(常见的垃圾回收算法)，找到这个垃圾之后怎么进行清除的算法。GC常用的算法有三
种如下：
1：Copying(拷贝)
2：Mark-Sweep(标记清除)
3：Mark-Compact(标记压缩)

第一个是Copying（拷贝）。非常简单，就是把内存一分为二，分开之后呢，把有用的拷贝到下面绿色
区域，拷贝完后上面全部清掉，回收完之后就变成下面的样子了，清楚简单。
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第二个是叫Mark-Sweep，标记、清除。就是你把它标出来，然后清掉就这么简单。首先找到那些有用
的，没用的标出来然后给它清掉。

第三个Mark-Compact(标记压缩)。很简单，就是把所有的东西整理的过程，清理的过程同时压缩到头上去。回收之前，有用的全往前面走，哪怕这个地方是空的我也先给你压到前面去，剩下的大块空间就全部清出来了，这个叫标记压缩，整理完成之后就是下图这样的，看着特别爽，空间又是连续的还没有碎片。
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二、GC算法问题

三种GC算法都有一定的问题，所以没法说哪个算法更加优越，看怎么使用。
1：copy算法逻辑简单，但是有一个显而易见的问题，就是空间浪费。
2：Mark-Sweep算法也有一个明显的问题，就是容易造成内存碎片。
3：Mark-Compact算法依然有它的问题，因为设计到对象的移动，移动的时候如果是多线程还要进行同步，效率较低，好处是不会产生内存碎片。

任何一个算法都有一定的问题，因此，java堆内存采用分代模型，垃圾回收器在不同的区域采用不同的回收算法。

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一个对象产生之后首先进入伊甸区，伊甸区经过一次垃圾回收之后进入survivor区，survivor区在经过一次垃圾回收之后又进入另外一个survivor，与此同时伊甸区的某些对象也跟着进入另外一个survivor，什么时候年龄够了会进入到old区。
MinorGC/YGC: 年轻代空间耗尽时触发。
MajorGC/FullGC: 在老年代无法继续分配空间时触发,新生代老年代同时进行回收。

三、常见垃圾回收器

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G1和ZGC在物理上已经不分代了。

3.1 Serial

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很简单使用单线程进行垃圾回收，GC线程工作的时候会发生STW,所有的业务线程都会停止。

3.2 Serial Old

这个用在老年代，他用的是mark-sweep的算法，用的也是单线程，和Serial一样，同样会发生STW。

3.3 Parallel Scavenge

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理解了Serial，就很容易理解Parallel Scavenge。Parallel Scavenge采用多线程来进行垃圾回收。本质的原因是，随着服务器内存不断增大，单进程的GC有点力不从心了。

3.4 Parallel Old

a compacting collector that uses multiple GC threads

用在老年代，和Parallel Scavenge的组合简称PS+PO，这个也是jdk1.8默认使用的垃圾回收器。

3.5 ParNew

和Parallel Scavenge基本没什么区别，就是为了和CMS配合使用推出的。

3.6 CMS（concurrent mark sweep）

CMS是一个里程碑式的垃圾回收器，原来的垃圾回收器在工作的时候，业务线程必须STW。CMS全称是并发标记清除垃圾回收器，允许GC线程和业务线程同时进行。CMS出现的本质原因是，随着服务器内存不断增大，GC线程并不是越多效率就越高，当内存很大的时候，多线程的GC，STW的时间也会很长。但是CMS毛病非常多。以至于目前任何jdk版本默认都不是CMS。
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第一个阶段叫做CMS initial mark(初始标记阶段)。很简单，就是我直接找到最根上的对象，其他的对象我不标记，直接标记最根上的。会发生STW，但时间会很短。
第二个是CMS concurrent mark(并发标记)，据统计百分之八十的GC的时间是浪费在这里，因此它把这块最浪费时间的和我们的应用程序同时运行，这是并发标记。就是你一边产生垃圾，我这一边跟着标记但是这个过程是很难完成的。
所以最后又有一个CMS remark(重新标记)。这又是一个STW。在并发标记过程中产生的那些垃圾在重新给它标记一下，这个时候需要业务线程停一下，时间不长。
最后是一个concurrent sweep(并发清理)的过程。并发清理也有它的问题，并发清理过程也会产生新的垃圾啊，这个时候的垃圾叫做浮动垃圾，浮动垃圾就得等着下一次CMS再一次运行的过程把它给清理掉。

在第二阶段并发标记是很容易发生错标的，这里使用了著名的三色标记法。

3.6.1 三色标记法

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如果一个对象自己已经完成标记，并且fields都完成了标记，那么这个对象就是黑色的。
如果一个对象自己标记完成，fields还没有标记，那么这个对象就是灰色的。
如果一个对象还没有被GC线程遍历到，那么这个对象是白色的。

因为业务线程是在运行中的，对象的引用有可能会发生变化，比如：
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下一次操作系统调度GC线程进来的时候，B–>D消失，A–>D增加

这时候就会有问题，本来A已经标记为黑色了，不会去扫子节点，B灰色的，应该去扫子节点，但是指向子节点D的引用消失了，这时D就标记不到，成为了垃圾，这是错误的。所以当一个黑色对象，增加一个新的引用的时候，GC要把这个对象重新变为灰色，这是CMS的解决方案，这种算法叫做incremental update（增量更新）
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CMS是一款低延迟的垃圾回收器，牺牲了一定的吞吐量。

3.7 G1

G1是一款服务端应用使用的垃圾回收器，目标是用在多核、大内存的机器上，它在大多数情况下，可以实现指定的GC暂停时间，同时还能保持较高的吞吐量。

3.7.1 分区

由于堆内存十分巨大，G1采用了分而治之的思想，也就是分区，把内存分为一小块一小块的region，从1M2M最大到32M。每一份region在逻辑上依然属于某一个分代，这个分代分为四种，第一种Old区都是放老对象的、Survivor区放存活对象的、Eden区放新生对象的、Humongous区大对象区域，对象特别大有可能会跨两个region。所以G1的内存模型已经完完全全的和以前的分代模型不一样了。region的角色并不是固定不变的。
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3.7.2 GC

1、YGC
JVM启动时，G1先准备好Eden区，程序在运行过程中不断创建对象到Eden区，当Eden空间耗尽时，G1会启动一次年轻代回收过程。YGC时，会发生STW。需要注意的是，每次GC时，所有的新生代都会被扫描。
特别需要注意的是，根对象有可能在Old区，然后Old区可能也指向Eden区的对象，那么是否扫描新生代还要扫描整个老年代，这显然是不可取的。G1使用RSet来记录并跟踪Region间的对象引用关系，每个Region初始化时，也会初始化一个RSet，RSet记录其它Region指向本Region对象的记录。
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上图中有三个Region，每个Region被分成了多个Card，在不同Region中的Card会相互引用，Region1中的Card中的对象引用了Region2中的Card中的对象，Region3中的Card中的对象引用了Region2中的Card中的对象，所以Region2的RSet记录了这些引用。
如果一个Old区Card中有对象指向新生代，就将它设为Dirty，只需要扫描这些Dirty的就可以了。
2、MixedGC(混合GC)
当堆内存使用达到一定值时,默认45%(-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent)，就启动了MixedGC，MixedGC即会回收新生代，也会回收部分老年代。MixedGC时和CMS一样也经历了4个阶段：

初始标记 STW
并发标记(三色标记法)
重新标记 STW
筛选回收 STW (并行)

初始标记时，会触发一次YGC。
并发标记时，会计算每个Region的对象活性，也就是存活对象的比例。
重新标记时，使用了效率更高的SATB算法，不同于CMS的增量更新。
筛选回收时，不会回收整个Old区，而是根据Region的对象活性，从中挑选几个回收价值高的Region进行回收，尽可能达到指定的GC暂停时间(-XX:MaxGCPauseMillis)。也就是说，如果GC指定暂停时间设置的比较少，那么从Old回收的Region就会比较少。

3、FGC
G1的设计初衷就是为了避免FullGC的出现，如果出现了FullGC,可以从下面两点调整：