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1.垃圾回收算法发展简介

⚫ Java是如何实现垃圾回收的呢？简单来说，垃圾回收要做的有两件事：
1、找到内存中存活的对象
2、释放不再存活对象的内存，使得程序能再次利用这部分空间

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⚫ 1960年John McCarthy发布了第一个GC算法：标记-清除算法。
⚫ 1963年Marvin L. Minsky 发布了复制算法。
本质上后续所有的垃圾回收算法，都是在上述两种算法的基础上优化而来。

2.垃圾回收算法的评价标准

Java垃圾回收过程会通过单独的GC线程来完成，但是不管使用哪一种GC算法，都会有部分阶段需要停止所有的用户线程。这个过程被称之为Stop The World简称STW，如果STW时间过长则会影响用户的使用。

所以判断GC算法是否优秀，可以从三个方面来考虑：

1.吞吐量

吞吐量指的是 CPU 用于执行用户代码的时间与 CPU 总执行时间的比值，即吞吐量 = 执行用户代码时间 /（执行用户代码时间 + GC时间）。吞吐量数值越高，垃圾回收的效率就越高。

比如：虚拟机总共运行了 100 分钟，其中GC花掉 1 分钟，那么吞吐量就是 99%

2.最大暂停时间

最大暂停时间指的是所有在垃圾回收过程中的STW时间最大值。比如如下的图中，黄色部分的STW就是最大暂停时间，显而易见上面的图比下面的图拥有更少的最大暂停时间。最大暂停时间越短，用户使用系统时受到的影响就越短。

3.堆使用效率

不同垃圾回收算法，对堆内存的使用方式是不同的。比如标记清除算法，可以使用完整的堆内存。而复制算法会将堆内存一分为二，每次只能使用一半内存。从堆使用效率上来说，标记清除算法要优于复制算法。

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上述三种评价标准：堆使用效率、吞吐量，以及最大暂停时间不可兼得。

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一般来说，堆内存越大，最大暂停时间就越长。想要减少最大暂停时间，就会降低吞吐量。
不同的垃圾回收算法，适用于不同的场景

3.垃圾回收算法01-标记清除算法

标记清除算法的核心思想分为两个阶段：

• 1.标记阶段，将所有存活的对象进行标记。Java中使用可达性分析算法，从GC Root开始通过引用链遍历出所有存活对象。
• 2.清除阶段，从内存中删除没有被标记也就是非存活对象。
  

垃圾回收算法-标记清除算法的优缺点

优点：实现简单，只需要在第一阶段给每个对象维护标志位，第二阶段删除对象即可。

缺点：

• 1.碎片化问题
  由于内存是连续的，所以在对象被删除之后，内存中会出现很多细小的可用内存单元。如果我们需要的是一个比较大的空间，很有可能这些内存单元的大小过小无法进行分配。
• 2.分配速度慢。由于内存碎片的存在，需要维护一个空闲链表，极有可能发生每次需要遍历到链表的最后才能获得合适的内存空间

4.垃圾回收算法02-复制算法

复制算法的核心思想是：
1.准备两块空间From空间和To空间，每次在对象分配阶段，只能使用其中一块空间（From空间）。
2.在垃圾回收GC阶段，将From中存活对象复制到To空间。
3.将两块空间的From和To名字互换。

完整的复制算法的例子：
1.将堆内存分割成两块From空间 To空间，对象分配阶段，创建对象。
2.GC阶段开始，将GC Root搬运到To空间
3.将GC Root关联的对象，搬运到To空间
4.清理From空间，并把名称互换

垃圾回收算法-复制算法的优缺点

优点

• 1.吞吐量高
  复制算法只需要遍历一次存活对象
  复制到To空间即可，比标记-整理
  算法少了一次遍历的过程，因而性
  能较好，但是不如标记-清除算法，
  因为标记清除算法不需要进行对象
  的移动

• 2.不会发生碎片化
  复制算法在复制之后就会将对象按顺序放
  入To空间中，所以对象以外的区域都是可
  用空间，不存在碎片化内存空间。

缺点

• 内存使用效率低
  每次只能让一半的内存空间来为创建对象使用内存使用效率低

5.垃圾回收算法03-标记整理算法

标记整理算法也叫标记压缩算法，是对标记清理算法中容易产生内存碎片问题的一种解决方案。
核心思想分为两个阶段：
1.标记阶段，将所有存活的对象进行标记。Java中使用可达性分析算法，从GC Root开始通过引用链遍历出所有存活对象。
2.整理阶段，将存活对象移动到堆的一端。清理掉存活对象的内存空间。

标记整理算法的优缺点

优点

• 1.内存使用效率高
  整个堆内存都可以使用，不会像复
  制算法只能使用半个堆内存
• 2.不会发生碎片化
  在整理阶段可以将对象往内存的一侧进行
  移动，剩下的空间都是可以分配对象的有
  效空间

缺点

• 整理阶段的效率不高
  整理算法有很多种，比如Lisp2整
  理算法需要对整个堆中的对象搜索3
  次，整体性能不佳。可以通过TwoFinger、
  表格算法、ImmixGC等高效的
  整理算法优化此阶段的性能

6.垃圾回收算法04-分代垃圾回收算法

现代优秀的垃圾回收算法，会将上述描述的垃圾回收算法组合进行使用，其中应用最广的就是分代垃圾回收算法(Generational GC)。

分代垃圾回收将整个内存区域划分为年轻代和老年代：

arthas查看分代之后的内存情况
⚫ 在JDK8中，添加-XX:+UseSerialGC参数使用分代回收的垃圾回收器，运行程序。
⚫ 在arthas中使用memory命令查看内存，显示出三个区域的内存情况。
垃圾回收算法-分代垃圾回收算法
分代回收时，创建出来的对象，首先会被放入Eden伊甸园区。
随着对象在Eden区越来越多，如果Eden区满，新创建的对象已经无法放入，就会触发年轻代的GC，称为Minor GC或者Young GC。
Minor GC会把需要eden中和From需要回收的对象回收，把没有回收的对象放入To区。
垃圾回收算法-分代垃圾回收算法
接下来，S0会变成To区，S1变成From区。当eden区满时再往里放入对象，依然会发生Minor GC。
此时会回收eden区和S1(from)中的对象，并把eden和from区中剩余的对象放入S0。
注意：每次Minor GC中都会为对象记录他的年龄，初始值为0，每次GC完加1。
垃圾回收算法-分代垃圾回收算法
如果Minor GC后对象的年龄达到阈值（最大15，默认值和垃圾回收器有关），对象就会被晋升至老年代。
当老年代中空间不足，无法放入新的对象时，先尝试minor gc如果还是不足，就会触发Full GC，Full GC会对整个堆进行垃圾回收。
如果Full GC依然无法回收掉老年代的对象，那么当对象继续放入老年代时，就会抛出Out Of Memory异常。