JVM之GC（二）

昨天总结了GC之前要做的事情，今天介绍一下主流的GC算法。

先介绍一下几个名词：

Stop The World（STW）：JVM进行GC的时候总不能一边清理垃圾一边制造垃圾把，那么垃圾鉴定的准确性根本无法得到保证，所以需要将服务全部停掉那么一瞬间；

Yong GC、Minor GC：年轻代区域的GC，所有的年轻代GC都会触发STW；

Old GC、Major GC：老年代区域的GC，只有串行部分会触发STW；

Full GC：主要针对老年代区域而言的串行GC，会触发STW。

首先说一下年龄分代收集算法，根据对象的存活周期，将堆区分为年轻代（新生代）和老年代。顾名思义，刚生成的对象放入年轻代，勤用勤收集，对象成功经历几轮GC后仍存活下来，便将它移入到老年代中去，如果老年代也满了，那么会触发Full GC。如果你是JVM设计者，你会怎么分配年轻代和老年代的比重呢？老年代收集效率差，存活率高，轻易不要移动这里的对象，如果老年代空间不充足，便会频繁触发Full GC，得不偿失；如果老年代分配过多也不好，对象全都跑到老年代了，长时间不触发清理操作会造成过于碎片化，严重导致空有内存却无法分配的现象。因此堆区应该为老年代和年轻代分配合适的比例，一般为4:1（调优参数：-XX:NewRatio=4）

实际上大多数的JVM都是以年龄分代算法为基础，将堆区划分成独立的两个区域，然后再结合其他的GC算法分开进行GC，从而更高效。

最先提出来的是标记清除法：先将堆区的需要回收的对象标记下来，然后统一回收。它会产生两个问题，首先是效率低下，标记和清理过程的效率都是很低的；然后是碎片问题，剩余的存活的对象分散各处，造成堆区碎片化，不方便为大对象分配内存。

针对上面两个问题，提出了复制算法，把堆区分为一个eden区域和两个小的survivor区域，当需要申请内存时，JVM会在较大的eden区域为其分配空间，当eden区域无法为新对象提供内存时，JVM将其中一个survivor空间和eden空间中存活的对象移到另一个survivor中，然后清空eden和之前使用过的survivor，按此循环，也就是说，总有一个survivor区域是留空的，用来存放其余二者存活的对象。

将上面两个方法对比来看，复制算法更适合用来处理存活率低的内存区域，也就意味着复制量小，更高效，显而易见，它是一个年轻代算法；相对而言，如果用标记清除法处理年轻代，使这片空间过于碎片化，当eden为较大对象分配空间时便会很乏力（实际上大对象或大数组是直接在老年代分配的），而且年轻代应该像他的名字一样高效、快速GC，该算法的标记和清除效率并不高，因此标记清除法更应该拿来处理老年代。

针对标记清除法的碎片化问题以及老年代的特点，有人又提出了一个改进措施，标记整理法，它的思想是：让存活的对象向一端移动，然后从边界处将另一侧所有空间直接清理掉。

---

前面提到了标记，内存中这么多引用变量，JVM如何寻找它是对象引用类型呢？其实，JVM使用了一组OopMap的数据结构来存放引用类型，在JIT编译和类加载的时候记录下来那些位置是引用，这样GC的时候，JVM就可以快速且准确的完成GC Roots的枚举了。

到这里，又引出了另外一个问题，变量、对象间的引用关系是一直在变化的，JVM不可能监听每一条指令，代价太大。所以引出了安全点这个概念，如果在安全点位置上我们对OopMap进行校准的话，那么JVM是可以在这个位置进行GC的，此时STW之后的引用类型是准确的。那么什么位置可以作为安全点呢？1、所有指令的末尾均可添加 2、方法调用、循环回跳之前等可添加； 它的选定是依据“程序在此处是否会长时间执行”为标准的。

对于多线程的程序，STW的时候是需要全部暂停的，但我们并不能保证多个线程正在执行的指令处是否有安全点，上一段已经说明只有安全点处才可以安全准确的GC。这里有两种解决方案：

1、抢先式中断：JVM觉得可以GC了，那就先STW，然后检查所有线程是否在安全点上，不在的话就让它继续执行；很少JVM会采用这种方式

2、主动式中断：在安全点上加一个轮询的标志，在需要GC时，将该标志设为中断值，已经在安全点上的线程便会轮询等待，未在安全点上的线程读取不到这个标志会继续执行

如果一个线程没有分配到时间片，线程出于sleep或blocked状态如何处理呢？JVM不可能等到它分配时间片之后在GC把。因此提出了安全区域这个概念，只有这段指令不会导致引用变化的片段才可以作为安全区域使用，在GC时JVM会忽视掉处于安全区域的线程，在这个区域内的任何地方开始GC都是安全的。当线程执行到安全区域的代码时，首先标识自己进入了安全区域。如果它要走出安全区域，需要先检查JVM是否处于GC状态且是否已经完成了根节点枚举，如果满足了根节点枚举或不在GC状态，它就可以走出来继续执行代码，否则他必须得等待知道收到信号为止。