JVM——垃圾回收器

1. 垃圾回收器分类

分类标准：串行/并行、并发/独占、压缩式/非压缩式、年轻代/老年代

2. 回收器评价标准

• 吞吐量：$\frac{t_{运行用户代码}}{t_{运行用户代码} + t_{垃圾回收}}$，即尽可能让单位时间内的STW时间最短
• 暂停时间：尽可能让单次STW时间最短

3. Serial回收器

串行；年轻代为Serial（标记-复制算法），老年代为Serial Old（标记-整理算法）

4. ParNew回收器

并行；只能用于年轻代（标记-复制算法），老年代仍为Serial-Old

5. Parallel Scavenge回收器

并行；关注吞吐量；年轻代为Parallel Scavenge（标记-复制算法），老年代为Parallel Old（标记-整理算法）

6. CMS回收器（Concurrent-Mark-Sweep）

并发；只能用于老年代，但无法与Parallel Scavenge一起使用

CMS回收器收集流程

1. 初始标记：只标记出与GCRoots直接关联的对象，会发生STW但时间短
2. 并发标记：从上面得到的与GCRoots直接关联的对象开始遍历标记，可与工作线程并发执行，无需STW
3. 重新标记：修正并发标记过程中，由于用户程序继续运行导致标记产生变动的一部分对象的标记记录，会产生STW但时间也不长
4. 并发清除：删除标记阶段判断死亡的对象，由于没移动对象（标记-清除），故可以与用户线程并发执行

• 优点：并发；低延迟
• 缺点：
  • 由于采用的是标记-清除算法，会产生内存碎片；
  • 会产生**“浮动垃圾”**：由于并发清除阶段是与工作线程并发执行的，这期间产生的垃圾要等到下次gc次才能清除

CMS回收器的兜底策略

CMS 最大的弱点在于它使用的是标记-清除（Mark-Sweep）算法，这会产生大量的内存碎片。

• 触发场景：
  1. 并发失败（Concurrent Mode Failure）： 当 CMS 还在进行并发回收时，老年代的剩余空间已经不足以支撑新对象的分配（或者是从年轻代晋升过来的对象）。
  2. 晋升失败（Promotion Failed）： 虽然老年代总空闲空间够，但由于碎片化太严重，找不到一块连续的空间来存放晋升的大对象。
• 兜底操作：
  • Serial Old GC： CMS 会立即停止所有工作，切换到单线程的 Serial Old 收集器。
  • 全堆压缩： 这是一个极重的操作，它会进行全堆扫描并进行内存压缩（Compaction）以消除碎片。
• 后果： 产生一个非常漫长的 STW 停顿，在几十 GB 的堆内存上，这可能会导致应用“假死”数秒甚至数分钟。

7. G1回收器（Garbage First）

G1回收器将堆内存分割为许多个小区域region，G1跟踪各个region里垃圾堆积价值大小（回收获得空间大小 以及 回收所需时间的经验值），在后台维护一个优先列表，每次根据允许时间，优先回收价值最大的region

G1回收器收集流程：

1. 初始标记
2. 并发标记
3. 重新标记
4. 筛选回收：制定回收计划，选择多个region作为回收集，把回收集中存活对象复制到空的region中，再清理旧region中的全部空间，需要STW

G1 的兜底策略

G1 采用的是分代/分区（Region）算法，虽然它比 CMS 更智能，但依然有极限。

• 触发场景：
  1. 转移失败（Evacuation Failure）： G1 在将存活对象从一个 Region 复制到另一个 Region（To-Space）时，发现没有可用的空闲 Region 了。
  2. 并发模式失败（Concurrent Mode Failure）： 在并发标记完成前，堆内存就已经被填满。
  3. 巨型对象分配失败： 当大对象请求分配，但连续的空闲 Region 数量不足时。
• 兜底操作：
  • Full GC： 触发一次全堆范围的 STW 回收。
  • 版本差异：
    • JDK 8 及以前： G1 的 Full GC 是单线程的，性能非常差。
    • JDK 10 及以后： G1 的 Full GC 得到了优化，改为并行（Parallel Full GC），利用多核 CPU 加快清理速度。
• 后果： 虽然在现代 JDK 中由于是多线程并行清理，速度比 CMS 的单线程兜底快不少，但依然属于“重度卡顿”。

8. CMS G1垃圾回收器的三色标记是什么？

三色标记是用于垃圾回收的标记算法，CMS 和 G1 垃圾回收器都有采用。它将对象分为三种颜色：

• 白色：初始状态，代表尚未被垃圾回收器访问的对象。标记结束仍为白色的对象，意味着未被程序引用，会被当作垃圾回收。

• 灰色：表示对象已被访问，但它引用的其他对象还没全被访问，处于“中间状态”。

• 黑色：对象及其引用的所有对象都已被访问过。黑色对象在本轮标记中不会被回收。

三色标记能在并发标记时，和用户线程并发执行，提高效率，但可能产生浮动垃圾和对象消失问题。