如何应对Android面试官->玩转垃圾回收算法

前言

垃圾回收算法与垃圾收集器

分代收集理论

理论来源于两个结论：

1. 绝大部分的对象都是朝生夕死；
2. 对象熬过多次垃圾回收，越难被回收掉；

所以会把这种两种对象分别放在不同的区域，朝生夕死的放在新生代，很难被回收掉的放到老年代；

什么是分代收集理论？在 JVM 里面，配置的时候有垃圾收集器，垃圾回收器本身也是一个线程，垃圾回收器对新生代进行回收，称之为Minor GC(Young GC)，对老年代进行回收，称之为Major GC(Old GC)，在分代收集理论里面，划分了不同的区域，就可以采用分代收集，比如新生代分配内存的时候，Eden 区不够了，垃圾回收器就会介入，介入之后发生的垃圾回收，就是 Minor GC，另外，如果老年代空间也满了，垃圾回收器介入，介入之后发生的垃圾回收，就是Major GC；另外在实现老年代回收的时候，JVM 会实现一次 Full GC，它会回收新生代、老年代、方法区；我们可以通过下面的示例查看 Full GC、MinorGC；

//-XX:+PrintGCDetails
public class GCTest {    
    public static void main(String[] args) {        
        AddListThread addListThread = new AddListThread();        
        TimeThread timeThread = new TimeThread();        
        addListThread.start();        
        timeThread.start();    
    }    
    static class AddListThread extends Thread {        
        List<byte[]> list = new LinkedList<>();        
        @Override        
        public void run() {            
            super.run();            
            try {                
                while (true) {                    
                    if (list.size()*512/1024/1024 >= 1000) {                        
                        list.clear();                        
                        System.out.println("clear the list");                    
                    }                    
                    byte[] bytes;                    
                    for (int i = 0; i < 100; i++) {                        
                        bytes = new byte[512];                        
                        list.add(bytes);                    
                    }                    
                    Thread.sleep(1);                
                }            
            } catch (Exception e) {            
            }        
        }    
    }    
    
    static class TimeThread extends Thread {        
        private static long startTime = System.currentTimeMillis();        
        @Override        
        public void run() {            
            super.run();            
            while (true) {                
                try {                    
                    long t = System.currentTimeMillis() - startTime;                    
                    System.out.println(t/1000 + "." + t%1000);                    
                    Thread.sleep(100);                
                } catch (InterruptedException e) {                    
                    e.printStackTrace();                
                }            
            }        
        }    
    }
}

VM 增加注释的配置参数，打印 GC 详情；

可以看到 Full GC 的时候 包含了 PSYoungGen，ParOldGen，Metaspace也就是我们上面说的新生代、老年代、方法区；

分代之后，每个区域采用了不同的垃圾回收算法，新生代采用了复制算法，老年代采用了标记清除算法或者标记整理算法；

新生代中的复制算法

假设内存中有八份大小相等的区域，那么它一分为二，只用一半，留一半进行复制，当有一个新的对象进来的时候，此时空间不够了，经过可达性分析之后，把可达的对象复制到上图的左边区域，把右边区域直接格式化（把右边区域变成预留），然后把新对象分配到左边区域，这就是复制回收算法；

复制回收算法特点就是：实现简单、运行高效，内存复制，没有内存碎片，但是利用率只有一半；

JVM 为了优化空间利用率只有一半的这个问题，提出了 Appel 式回收，所以 Eden 区诞生；

Appel 式回收

Appel 式回收，我们的空间不一定要留一半；

划分出一块比较大的区域，称为 Eden 区，再划分两块对等的较小的区域，叫做 Surivor 区（From Surivor、To Surivor），默认的比例设置为 8:1:1，然后进行垃圾回收之后，绝大部分的对象都被回收掉了，进行一次垃圾回收之后，存活的对象就会从 Eden 区进入 From 区，接下来Eden 会继续放入新创建的对象，当再次占满的时候，From 和 To 区会采用标准的复制回收算法，垃圾回收之后，From 区中存活的对象会进入 To 区，Eden 区存活的对象也会进入 To 区，但是进入 To 区的这两个对象年龄是不一样的，从 From 区过去的年龄是 2，从 Eden 区过去的年龄是 1，因为不管是第一次的时候进入的 From 区还是 To 区，对象的 age 都要 + 1，接下里循环往复，垃圾回收的时候，存活的对象从 To 区进入 From 区，Eden 区存活的对象也进入 From 区，对应的 age +1，Eden 区的年龄是没有 + 1 的概念；

这种 Appel 的回收方式，可以提高空间利用率，浪费的只有 From 区或者 To 区，空间利用率达到了 90%；

为什么划分成8:1:1 而不是其他比例？因为对象的存活有10%；

老年代中的标记清除、标记整理算法

标记清除算法

空间只会划分成三份：可回收、不可回收、未分配；

垃圾回收之前，将可回收的对象进行标记（上图灰色区域），然后垃圾回收的时候进行回收，采用标记清除算法会产生内存碎片（堆空间不是连续的）；

内存碎片带来的问题？

会导致 JVM 提前GC，例如上图回收后，因为内存的不连续，当我们需要在内存中分配一个需要连续的 5 块区域的时候，会分配不了，就会提前触发 GC 来释放空间；

标记清除带来的效率非常低，因为每个对象都要进行挨个标记，如果需要回收的对象比较多，那么就会导致效率比较低下；

标记整理算法

JVM为了解决标记清除带来的内存碎片问题，从而产生了标记整理算法，对比标记清除，多做了一步额外的操作，就是在标记完之后，将存货对象进行了移动，移动到一个连续的空间内；

但是这样就会产生对象的移动，因为是在老年代，大部分都是存货的对象，对象的移动效率会比较低，同时对象的移动会带来引用的更新，因为主流的虚拟机大部分都是使用的直接引用（上一章 如何应对Android面试官->JVM对象回收与逃逸分析 有介绍引用关系）；对象的移动还需要用户线程暂停，不然可能都不知道对象移动到了哪里；

所以标记整理算法整体效率还是偏低的；而 标记清楚算法 更适合老年代内存回收，因为老年代本身存放的就是比较难回收的对象；

JVM中常见的垃圾收集器

JVM 中的垃圾回收都是通过垃圾收集器来执行的，常见的有以下几种；

1. 单线程垃圾收集器；
2. 多线程并行垃圾收集器
3. 多线程并发垃圾收集器；

早先的 JVM 只有 Serial 和 Serial Old，都是单线程的，Serial 采用复制算法，Seial Old 采用标记整理算法，随着内存越来越大，诞生了 Parallel Scavenge 和 Parallel Old，算法还是采用的标记整理和标记清除，但是是并行的多线程收集器，可以跑多个垃圾收集器（多个线程）；但是不管是单线程还是多线程，在执行垃圾回收的时候，都需要暂停用户线程，JVM 为了优化这个功能，诞生了多线程并发垃圾收集器，出现的第一个并发垃圾收集器就是老年代的 CMS（并发的标记清除）和 新生代的 ParNew；

由上图可以知道，垃圾收集器其实是需要配对出现的，Serial 可以和 Serial Old 配对出现，也可以和 CMS 配对出现，ParNew 可以和 CMS 配对出现，也可以和 Serial Old 配对出现，Parallel Scavenge 可以和 Serial Old 配对出现也可以和 Parallel Old 配对出现；

CMS（Concurrent Mark Sweep）垃圾回收器工作原理

CMS 可以把标记阶段分为三部分，初始标记、并发标记、重新标记；

初始标记

标记 GCRoots 直接关联的对象，暂停所有线程，因为只标记GcRoots直接关联的，所以时间短；

并发标记

用户线程不用暂停，继续进行可达性标记，标记 GcRoots 间接引用的对象，这个过程可能会很长，因为间接引用的对象可能会很多很多，所以 CMS 让这块需要操作很长时间的走并发逻辑，但是这种情况下会存在标记不全的情况（因为是并发，比较的同时，用户线程也在制造垃圾对象），JVM 针对这块增加了重新标记；

重新标记

并发标记阶段用户线程产生的变动重新标记一下，暂停所有的用户线程；

CMS 把清理阶段分为了两部分，并发清理、重置线程；

并发清理

用户线程和GC同时执行，清理工作比较耗时；

重置线程

线程进行重置；

VM 启动 CMS 垃圾回收器

CMS 优缺点

CMS 影响的是最大响应时间，因为清理和标记是并发执行的，并不会其他又比较短，所以用户的感知卡顿就会降低；

CMS 缺点：

CPU敏感：在 CMS 中，既要跑用户线程也要跑垃圾回收线程，就会导致 CPU 比较敏感，如果 CPU 核心数还小于 4，对用户的影响比较大；解决方案就是加大 CPU 核心数；

浮动垃圾：清理阶段是并发的，如果这个时间段产生了垃圾，并不会被清理，这种垃圾就称为浮动垃圾；解决方案就是只能等待下一次的清理；

内存碎片：因为采用的是标记清除，由前面讲的标记清除算法来说，会产生内存碎片；解决方案，大部分的 Java 后端服务器都会在某个时间节点挂上服务维护，本质就是重启，清理所有的碎片；

如果浮动垃圾过多怎么办？

由于是并发清理，所以会产生浮动垃圾，当浮动垃圾过多或者内存碎片过多导致不能存放对象的时候，JVM  就将 CMS 切换成 Seial Old（标记整理算法） 执行清理；

G1 垃圾回收器

G1 垃圾回收器在内存划分做了特殊的处理，增加了 Humongous 区域；它的垃圾回收步骤类似 CMS，也是进行初始标记、并发标记、最终标记，它的核心思想是：筛选回收；

为什么会有筛选回收？因为在 G1 里面，它的内存布局进行了改变，以往的垃圾回收器都会走一个新生代和老年代，新生代是一个，老年代也是一个，按照整块的来划分，但是在 G1 它不在是一个了，它划分了很多的等份（Region 区），例如你的堆有 10G，它不关心，它进行等份的划分，划分的范围按照 1M - 32M，（会根据系统情况内存情况进行划分），假设内存较小的情况下，每块区域划分了 1M，就意味着每个区域是相等的，都是 1M（一般划分都会按照 2 的等次幂来划分的）；划分以后不再是一块区域是新生代、一块区域是老年代，而且如果这个区域标记成 O 那么就是老年代，标记成 S 就是 Surivor 区，标记成 E 就是 Eden 区，标记成 H 就是 Humongous 区（大对象专属存放区），以往的大对象会直接分配到老年代，这个 Humongous 区域怎么认为是存放大对象呢？假设每个区域是 1M，如果分配的对象超过了 512KB，就会被认为是大对象，那么就需要分配到大对象专属区域，如果是 3M，就用三个连续的 1M 来存放；

整体思想：内存不再单纯的按照分代划分，但是里面还继续保留了新生代、老年代、交互区，另外多出了一个 Humongous（大对象专属存放区），

G1 中的 Eden Surivor 没有疑问，还是走复制回收算法，老年代和Humongous 走的是标记整理算法，但是它又不是完全的回收，走的是筛选回收，为什么是筛选回收呢？因为可能有硬性要求，要求 JVM 的最小暂停时间（追求暂停时间），JVM 的配置参数中，例如可能要求 JVM 的暂停时间不能超过 1000ms，所以 G1 会进行筛选一下，它根据一些算法来判定，筛选那些回收效率比较高的对象，标记阶段（初始、并发、最终）就可以确认哪些区域回收效率比较高，进行回收的时候，就不用关心其他区域了，只回收标记的回收效率比较高的区域，那么回收这些区域的时候，它的 stop the world 的时间就是可预测的（可预测暂停），但是这个可预测停顿并不是绝对的；

G1 设置最大暂停时间参数 

-XX:MaxGCPauseMills = 500

可能会有人有疑问了，G1 的内存碎片不是更严重了吗？

经过实验研究，CMS 和 G1 的平衡点而言，如果堆空间在超过 8G 的时候，G1 的回收效率是高于 CMS 的，它没有内存碎片，只是划分了不同的区域，如果堆空间比较小的话，追求效率还是使用 CMS；

Stop The World

垃圾回收器中无论是单线程、还是多线程、无论是并行还是并发，都会暂停用户线程；这就是 Stop The World；

如果不暂停用户线程，那么是清理不干净的；

Stop The World 带来的危害就是用户卡顿；

通过开篇的示例代码，可以查看 Stop The World 带来的卡顿

正常我们的打印还是比较规整的，每隔 0.1s 打印一次，但是当发生 Full GC 的时候，我们的打印间隔了 0.6s；

常量池与String

常量池

常量池中其实划分了静态常量池、运行时常量池、还有字符串常量池；

静态常量池

就是我们所说的 class，我们找一个 class 通过 javap -v 看下

class 其实是存放在了常量池中；

静态常量池中都有哪些内容呢？

1. 字面量，String i = "James"；这个 James 就是字面量；
2. 符号引用，String 这个类，java.lang.String 这个 java.lang 就是符号引用，符号引用包含一个类或者方法的权限命名；
3. 类的、方法的信息；

字符串常量池属于静态常量池的一部分；

运行时常量池

所有的类经过类加载，都会加载到运行时数据区（方法区），无论 JVM 怎么实现，这块区域其实都叫做逻辑区域，不管是在堆区也好还是直接内存也罢，JVM 其实不关心，只需要有这个运行时常量池的概念即可；符号引用最终要对应到一个实体，运行的时候要找到对应的实体，实体怎么去找？根据对象头的 hashMap，这个 hashMap 对应一个实体，所以符号引用在处理的时候必定要变成直接引用（hash值），所以运行时常量池存放的就是对象实体的直接引用（hash 值）；

String 创建和内存分配

String str = "abc";

JVM 首先会检查该对象是否在字符串常量池中，如果在，就返回该对象引用，否则新的字符串将在常量池中被创建；这种方式可以减少同一个值的字符串对象的重复创建，节约内存；

String str1 =new String("abc");

首先在编译类文件时，"abc" 常量字符串将会放入到常量结构中，在类加载时，"abc" 将会在常量池中创建；其次，在调用 new 时，JVM 命令将会调用 String 的构造函数，同时引用常量池中的 "abc" 字符串，在堆内存中创建一个 String 对象；最后，str1 将引用 String 对象。

String str2= "ab" + "cd" + "ef";

首先会生成 ab 对象，再生成 abcd 对象，最后生成 abcdef 对象;

String a = new String("James").intern();
String b = new String("James").intern();
if(a==b) {
   System.out.print("a==b");
} else {
   System.out.print("a!=b");
}

new Sting() 会在堆内存中创建一个 a 的String对象，"James" 将会在常量池中创建，在调用intern 方法之后，会去常量池中查找是否有等于该字符串对象的引用，有就返回引用。

调用 new Sting() 会在堆内存中创建一个b的String 对象，在调用 intern 方法之后，会去常量池中查找是否有等于该字符串对象的引用，有就返回引用。

所以 a 和 b 引用的是同一个对象。

简历润色

深度理解JVM垃圾回收，可基于垃圾回收原理做内存优化；

下一章预告

什么是 ART？什么是DVM？

欢迎三连

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