JVM(三）JVM 垃圾回收算法详解（CMS、三色标记）

分代收集算法（generational garbage collection）是一种用于自动内存管理的算法，用于识别和回收无用的内存对象。这种算法是现代编程语言中常用的垃圾回收机制之一。

分代收集算法基于一个简单的观察：大部分对象在内存中的生命周期都非常短暂，而只有少数对象会存活很长时间。因此，分代收集算法将内存对象分成几个代，每一代代表一个对象存活的时间段。通常，新创建的对象被放在第一代，如果它们存活了一段时间，就会被转移到下一代。

分代收集算法通常使用两个主要的阈值：年龄阈值和大小阈值。年龄阈值指的是一个对象在第一代中存活的次数，而大小阈值则是一个对象的大小，超过这个大小的对象将被认为是大对象。

在分代收集算法中，一般会经常进行轻量级的垃圾回收操作，主要是针对第一代内存对象的回收。这是因为第一代中的对象很少存活很长时间，因此可以快速地回收它们并释放内存空间。如果一个对象在第一代存活了足够长的时间，就会被转移到下一代，这样就可以减少垃圾回收操作的频率。较大的对象通常被放在老年代，因为它们更倾向于存活很长时间。

总的来说，分代收集算法可以提高垃圾回收的效率，因为它可以减少对整个堆内存的扫描次数。此外，分代收集算法还可以通过将内存对象划分为不同的代，使垃圾回收操作更具有可预测性和可控性。

当前虚拟机的垃圾收集都采用分代收集算法，这种算法没有什么新的思想，只是根据对象存活周期的不同将内存分为几 块。一般将java堆分为新生代和老年代，这样我们就可以根据各个年代的特点选择合适的垃圾收集算法。 比如在新生代中，每次收集都会有大量对象(近99%)死去，所以可以选择复制算法，只需要付出少量对象的复制成本就可 以完成每次垃圾收集。而老年代的对象存活几率是比较高的，而且没有额外的空间对它进行分配担保，所以我们必须选 择“标记-清除”或“标记-整理”算法进行垃圾收集。注意，“标记-清除”或“标记-整理”算法会比复制算法慢10倍以 上

复制算法将内存分成大小相同的两块，每次使用一块内存区域，当一块内存区域满了之后，标记出存活的对象，并将存活的对象复制到另一块空的区域，然后将空间全部清空。

算法分为两个阶段，标记和清除阶段，一般采用标记出存活对象，清除未被标记的对象（一般采用这种），反之亦可以。算法比较简单但会存在如下问题

标记过程跟标记清楚算法一样，但是在清除阶段不会直接清除垃圾对象，而是把存活的对象向一端移动然后清楚掉边界以外的内存

如图所示，我们常见的垃圾收集器有以上几种，新生代跟老年代垃圾收集器上下连线代表可以组合只用，相同颜色是推荐组合，下面我就分别介绍下不同的垃圾收集器

Serial收集器是一种单线程的垃圾回收器，适用于小型或简单应用程序。下面是使用Serial收集器的一般步骤

在应用程序启动时，使用以下命令行参数启用Serial收集器 这将使JVM使用Serial收集器进行垃圾回收：

如果需要调整垃圾回收的参数，可以使用以下命令行参数进行配置：

运行应用程序，Serial收集器将在单个线程中进行垃圾回收操作。当垃圾回收操作进行时，应用程序将被暂停(stop the word)。在垃圾回收完成后，应用程序将恢复运行。

Serial Old收集器是Serial收集器的老年代版本，也是一种单线程的垃圾回收器，用于回收老年代的对象, 需要注意的是，Serial Old收集器仍然是一种单线程的垃圾回收器，可能会导致长时间的应用程序暂停时间

使用Serial Old收集器的步骤与使用Serial收集器类似，不同之处在于需要使用以下命令行参数启用Serial Old收集器：

Parallel收集器是一种多线程的垃圾回收器，用于在多核处理器上并行回收垃圾。它是JDK 1.4引入的一种垃圾回收器，用于代替早期版本中的Serial收集器。与Serial收集器不同，Parallel收集器能够在多个线程上同时执行垃圾回收操作，因此可以显著缩短垃圾回收时间。运行应用程序，Parallel收集器将在多个线程中并行执行垃圾回收操作。当垃圾回收操作进行时，应用程序将被暂停。在垃圾回收完成后，应用程序将恢复运行

使用Parallel收集器的步骤如下：

在应用程序启动时，使用以下命令行参数启用Parallel收集器：

如果需要调整垃圾回收的参数，可以使用以下命令行参数进行配置

Parallel Old收集器是Parallel收集器的老年代版本，用于回收老年代的对象。它与Parallel收集器类似，也是一种多线程的垃圾回收器，可以利用多个CPU来并行处理垃圾回收操作，从而提高垃圾回收的效率。

使用Parallel Old收集器的步骤与使用Parallel收集器类似，不同之处在于需要使用以下命令行参数启用Parallel Old收集器：

ParNew收集器是一种新生代垃圾回收器，它使用多线程并行回收新生代中的对象。它是一种与Serial收集器类似的垃圾回收器，但是可以利用多个CPU来并行处理垃圾回收操作，从而提高垃圾回收的效率。ParNew收集器通常与CMS收集器一起使用，用于回收新生代对象。

收集器是一种用于回收老年代对象的垃圾回收器，它的特点是并发收集和低停顿时间。与其他垃圾回收器不同，CMS收集器采用了一种并发标记-清除算法，可以在应用程序运行期间与垃圾回收线程并发执行，从而减少应用程序的停顿时间。

CMS 运行过程

CMS 收集器的优缺点

CMS相关参数设置

在并发标记过程中由于用户线程和GC 线程同时在运行，会造成已经标记过的对象引用发生变化，会产生多标、漏标问题，漏标问题采用三色标记来解决

三色标记算法 把Gc Roots 可达性分析算法过程中遍历的对象，按照“是否访问过”这个条件标记成以下三种颜色：

黑色：表示对象已经被垃圾收集器访问过并且从这个对象出发的多有引用都已经标记过。 如果一个新的标量指向一个黑色对象是不需要重新扫描一遍。黑色对象不可能直接指向白色对象（跳过灰色对象）

灰色：表示对象已经被垃圾收集器访问过 但是至少存在1条以上的引用未被扫描过

白色：表示未被扫描的对象。显然在可达性分析刚刚开始的阶段， 所有的对象都是白色的， 若在分析结束的阶段， 仍然是白色的对象， 即代表不可达

在并发标记过程中，当我们扫描过 B→ C 这条引用，将C 标记为黑色对象，准备扫表B→D 之前，此时用户线程 删除了B-D 的引用，增加了A-D 的引用，此时根据可达性分析是无法到达D, 显然D又不是垃圾对象，如果将D 按垃圾对象清除，就是JVM一个非常严重的bug ，显然JVM不可能让这样的事情发生，那么JVM是如何处理的呢？ 此时会引入几个概念 增量更新（Incremental Update）,原始快照（Snapshot At The Beginning，SATB），写屏障，读屏障。

写屏障

给某个对象的成员变量赋值时，其底层代码大概长这样：

所谓写屏障就是在复制前后增加一些操作（类似以AOP概念）

写屏障实现SATB

当对象B的成员变量的引用发生变化时，比如引用消失（a.b.d = null），我们可以利用写屏障，将B原来成员变量的引用对象D记录下来：

写屏障实现增量更新

当对象A的成员变量的引用发生变化时，比如新增引用（a.d = d），我们可以利用写屏障，将A新的成员变量引用对象D记录下来：

读屏障

读屏障是直接针对第一步：D d = a.b.d，当读取成员变量时，一律记录下来：

在并发标记过程中，由于用户线程运行结束，直接标记过有Gc Roots 引用的对象 标记为了黑色对象，这部分对象其实已经无用，但是咱本次垃圾回收是不是回收的，这就产生了浮动垃圾，浮动垃圾在下次Gc 时会被回收掉

另外，针对与并发标记（还有并发清理）过程中新产生的对象，直接标记为黑色，本次垃圾回收直接不处理这部分对象

漏标是指并发标记过程的对象，引用发生变化，造成扫描对象不可达。 JVM处理这种问题有两种方式，增量更新、原始快照

**增量更新：**当一个黑色对象插入指向白色对象引用时，就把这个关系记下拉，并发标记结束，重新标记过程中从新标记这部分对象（相当于把黑色对象变成灰色对象，重新从灰色对象扫描，因为重新标记STW ,对象引用不会再次发生变化）

**原始快照：**当一个灰色对象断开指向白色对象引用时，把这个引用记录下来，当并发标记结束后，重新标记过程中 直接把记录下来的引用中的对象标记为黑色，本次垃圾收集回收这部分对象（这些对象可能是浮动垃圾），下次收集重新扫描回收。

备注：增量更新、原始快照 牵扯到对象引用的插入还是删除JVM都是通过写屏障实现的。