1.前言

如果您的女盆友非常喜欢买买买，她将会面临一个严峻的问题——储物空间不够。

所以她需要定期**“断舍离”**：过一段时间将陈旧的包包、衣服移到不常用的储物柜，再过一段时间把这些不常用的衣物丢掉。

Java代码也像女盆友一样，喜欢**“买买买”**——创建大量对象，所以也会面临**内存空间不足**。

JVM的垃圾回收机制承担了**“断舍离”**的职责。

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下面，我们来宏观地理解一下垃圾回收体系的主脉络。

2.Where：垃圾收集的目标区域

目标区域

垃圾回收，首先要圈定范围。

垃圾回收的目标区域主要发生在运行时数据区的堆、方法区：

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稍微回顾一下运行时数据区的一些知识：

  • 堆(Heap)

堆=年轻代+老年代

年轻代=伊甸园区(Eden)+幸存者区0(S0)+幸存者区1(S1)

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  • 方法区(Method Area)

方法区是站在类加载子系统的角度的一种逻辑说法。

方法区的具体实现是什么呢？

JDK8之前，是永久代。

JDK8以后，是采用堆外内存实现的元空间。

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所以，更准确地说，垃圾回收的目标区域主要发生在运行时数据区的年轻代、老年代、元空间。

被回收区域的特征

根据分代理论，运行时数据区的各个区域存放的对象有如下特点：

  • 伊甸园区存放的对象，可以简化理解为新对象，有点像刚买回来的2021新款LV包包
  • 幸存者区存放的对象，可以简化理解为存活了一段时间的对象，有点像去年买回来的LV包包
  • 老年代存放的对象，可以简化理解为存活很久的对象或者很大的对象，有点像过气的LV包包

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不同区域，不同回收方式

每次收拾储物空间，可以根据当前的时间、当前的需要，分批收拾。

垃圾收集也一样，面对不同区域的对象，也会采用不同的回收方式分批回收：

  • 部分收集法
    • YGC：也叫Minor GC，针对年轻代垃圾收集。
    • OGC：也叫Major GC，针对老年代垃圾收集。
    • 混合GC：年轻代、老年代一起垃圾收集。
  • 全量收集法：年轻代、老年代、元空间一起垃圾收集。

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3.When：何时会触发垃圾回收

明确了垃圾回收的范围，下一步就是明确回收时机。

  • YGC：年轻代的伊甸园区满，就好像放新款包包的储物格满了，就会触发YGC。
  • OGC：老年代满，就好像老款专属储物格满了，会触发OGC。
  • FullGC：触发FullGC的条件很多(详见下图)，就好像整个储物柜一起收集。

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4.How：垃圾回收算法

说明：本文篇幅有限，不展开任何算法的细节，仅帮助读者建立宏观概念，笔者将在后续文章中详细阐述各种算法细节。

4.1.什么是垃圾？

断舍离的时候，什么样的包包算**“过时”**？一定是有个标准的。

对于垃圾回收算法也一样，认定无用对象的经典算法有两种：

  • 引用计数算法：此算法是在每个对象上增加一个计数器，表示这个对象被多少其它对象引用了。如果某个对象的引用计数器=0，则这个对象被定义为垃圾。
  • 可达性分析算法：此算法规定了一组满足条件的对象作为根节点，从这些根节点出发，搜索对象的引用链条，最终形成一个有向图，图中孤立的对象节点，就被定义为垃圾。

上述垃圾评价算法，各有利弊，后续会展开讨论，在此仅需要有一个概念：这套算法，就是帮助JVM识别一个对象是否属于垃圾。

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4.2.如何回收垃圾？

识别出了垃圾，就要有节奏地、高效地开展垃圾回收。

好吧，问题来了：

  • 有节奏意味着慢慢来：肯定要给女盆友时间慢慢收拾，把稍微过时的包包放到不常用的储物格子，把非常过时的包包直接丢掉。
  • 高效意味着快：如果女盆友收拾的太慢，就没有人给您做饭了。

这也是影响JVM性能优化最大的课题：

  • 如何快速垃圾回收
  • 如何避免STW问题：Stop The World问题，就是垃圾回收过程中，导致业务代码卡顿。

这些就是现存的这么多种垃圾回收算法要攻克的核心课题。

我们接下来宏观地理解一下各类垃圾回收算法：

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我们先看看3种最基础、最经典的基础算法

  • Mark-Sweep：标记-清除算法
  • Copying：复制算法
  • Mark-Compact：标记-压缩算法

从收集的区域看，有1种基于上述3种基础算法的组合算法：

  • 分代收集算法：本质就是不同的区域，采用不同的上述3种基础算法。

从收集的方式看，有1种基于上述3种基础算法组合算法：

  • 增量收集算法：本质是业务代码运行和垃圾回收交替进行。

随着Java的不断发展，又发展出一种新的门派

  • 分区算法：本质是将内存区域划分为很多小方格，每个格子按需放对象，与分代理论最大的不同是，同一类型的对象不一定要放在逻辑连续的代。如下图，同样是伊甸园区的对象，并不需要占据逻辑连续的伊甸园区。

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5.垃圾回收器：垃圾回收算法的具体实现

说明：本文篇幅有限，在后续文章中展开垃圾回收器的细节。

垃圾回收器是垃圾回收算法的具体实现，但是理解垃圾回收器对我们有两个难题：

  • 有多种垃圾回收器
  • 每种垃圾回收器都主攻某种场景，为了满足大部分业务场景，必须合理组合使用多种垃圾回收器

5.1.为什么会有多种垃圾回收器呢？

除了业务软件对JVM垃圾回收性能的诉求，还有商业原因(例如：Sun认了Oracle当爸爸，例如：RedHat企图当干爹，但亲爹Oracle不让)。

5.2.如何搭配使用多种垃圾回收器呢？

本文仅以JDK8为例，列举出垃圾回收器的经典搭配方法：

  • Serial+Serial Old： Serial回收器处理年轻代，Serial Old回收器处理老年代。

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  • ParNew+CMS+Serial Old： ParNew处理年轻代，CMS处理老年代，当CMS失效时，Serial Old回收器兜底老年代。

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  • Parallel Scanvenge+Parallel Old： Parallel Scanvenge处理年轻代，Parallel Old处理老年代。

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  • **Parallel Scanvenge + Serial Old：**Parallel Scanvenge处理年轻代，Serial Old处理老年代。这种搭配关系在JDK14以后就开始废弃了。

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  • G1：G1是个神奇的存在，一个回收器通吃年轻代和老年代。这也是JVM目前主推的回收器。

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总结

本文讲解了垃圾回收体系的主脉络：

  • 垃圾回收发生在年轻代、老年代、方法区。
  • 垃圾回收的方式：YGC(Minor GC)、OGC(Major GC)、FullGC
  • 年轻代伊甸园区满时，触发YGC
  • 老年代满时，触发OGC
  • 有多种条件，触发FullGC(详见前文配图)
  • 引用计数算法和可达性分析算法，用来识别哪些对象是垃圾。
  • 垃圾回收的三种基础算法：标记-清除算法(Mark-Sweep)、复制算法(Copying)、标记-压缩算法(Mark-Compact)
  • 垃圾回收的两种组合算法：分代收集算法、增量收集算法
  • 垃圾回收的新门派组合算法：分区收集算法
  • 由于商业原因和业务需求，JVM提供7种经典垃圾回收器。
  • 实战时，搭配使用不通过垃圾回收器，满足回收年轻代和老年代的场景。
  • G1是一种特殊的垃圾收集器，通吃年轻代和老年代的垃圾回收。

如果从宏观上理解了垃圾回收体系的全貌，相信聪明的读者不用死记硬背也能得到题目的答案，请您将答案写在下面的评论区吧！

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废弃

如果把JVM类比为一座工厂，那么运行时产生的各种对象就像这座工厂里的打工人，运行时数据区就像打工人的工位。

铁打的营盘流水的兵，工位有限，企业主会安排HR开展裁员工作——清理没价值的打工人，为新人腾出工位。

垃圾回收体系就是JVM中，扮演了这个最无情的角色。

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站在打工人(对象)的角度，垃圾回收体系是无情的存在。

但站在企业主(JVM)的角度，垃圾回收体系是维系正常生产的重要部件。