第一章：垃圾回收算法
1.1 核心思想
- JVM 要完成垃圾回收，需要做两件事情：
- 1️⃣ 对内存中的对象进行分类（可达性分析算法），目的是为了找到可以存活的对象。
- 2️⃣ 释放不再存活对象的内存，使得程序能够再次利用这部分空间。
1.2 垃圾回收算法的历史
1.2.1 早期阶段（手动内存管理）
- 在最早的计算机程序设计中，内存管理主要依赖开发者手动分配和释放内存（如 C、C++ 中的
malloc和free）。 - 这种方法虽然高效，但容易导致内存泄漏或内存错误。
1.2.2 自动垃圾回收的提出
1959 年：LISP（一种编程语言）最早实现了自动垃圾回收。LISP 的设计者 John McCarthy提 出了垃圾回收的概念，旨在避免程序员手动管理内存。LISP 的垃圾回收使用了
引用计数技术来管理内存。1960 年：其他语言，如：ALGOL，也开始探索垃圾回收，但当时的算法普遍效率较低，导致了性能上的问题。
1.3 垃圾算法的分类
- 1960 年，JohnMcCarthy 发布了第一个 GC 算法，即：标记 --- 清除算法。
- 1963 年，Marvin L.Minsky 发布了复制算法。
- ...
提醒
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。
提醒
之所以会出现这么多的 GC 算法，是因为其有自己的优缺点，适应的场景不同！！！
1.4 垃圾回收算法的评价标准
1.4.1 概述
- 在 Java 中，垃圾回收需要通过一个单独的 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，这个过程被称为 STW（Stop The World）。
提醒
- ① 在用户线程停止的情况下，程序是没有办法处理用户的请求的，即：用户在使用过程中，程序的处理突然停止，用户只能干等着，用户的体验比较差。
- ② 假设去银行办事，由于银行内部的原因，如：停电了，导致正在办理业务的这些用户只能干等着，什么也做不了，导致用户的体验非常差。
- ③ 换言之，如果 SWT 时间过长会影响用户的使用。
1.4.2 演示 SWT
- 需求：演示 SWT 对应用程序的影响。
提醒
- ① 设计一个线程，通过死循环不停打印
当前时间 - 上一轮时间的时候，即：每轮的执行耗时，之后休眠 100 毫秒。如果每次执行耗时都是 100 毫秒，则说明当前线程的运行是没有受到任何影响的。 - ② 设计另一个线程，通过死循环不停地向
链表添加 100MB 大小的对象；但是，如果链表中的对象的数量 >=80 ，则清空链接，让链表和其保存的对象之间的强引用断开，以便让 GC 回收内存，之后休眠 10 毫秒。 - ③ 如果是秒杀场景，现在距离秒杀结束还剩 5 秒结束；此时，用户正在进行下单，恰好 Java 应用程序在执行 GC 回收，并且整个执行耗时比较长，SWT 的时间长达 6~8 秒。本来用户是可以下单成功的；但是，由于垃圾回收影响了用户的正常下单操作，导致用户下单没有成功，对用户的体验非常差，下次可能就不再使用该软件。
- 实验的流程图，如下所示：
- 示例：
bash
# JVM 参数
-XX:+UseSerialGC -Xmx10g -verbose:gcjava
package com.github;
import java.util.LinkedList;
import java.util.List;
public class Test {
public static void main(String[] args) {
PrintThread printThread = new PrintThread();
ObjectThread objectThread = new ObjectThread();
printThread.start();
objectThread.start();
}
}
/**
* 用来打印当前时间
*/
class PrintThread extends Thread {
@Override
public void run() {
long startTime = System.currentTimeMillis();
while (true) {
long endTime = System.currentTimeMillis();
// 让当前时间 - 上一次的时间，就是每轮的执行耗时
System.out.println(endTime - startTime);
startTime = endTime;
try {
// 休眠 100 毫秒，如果每次都是 100 毫秒，说明当前线程的运行没有受到任何影响
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}
}
}
/**
* 用来创建对象，并触发 GC 回收
*/
class ObjectThread extends Thread {
@Override
public void run() {
List<byte[]> list = new LinkedList<>();
while (true) {
// 最多存放 8g ，然后删除强引用，释放内存
if (list.size() >= 80) {
list.clear();
}
list.add(new byte[1024 * 1024 * 100]);
try {
Thread.sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}
}
}
txt
0
[GC (Allocation Failure) 374313K->307949K(1520448K), 0.1026225 secs]
171
[GC (Allocation Failure) 626981K->615127K(1520448K), 0.0998841 secs]
148
[GC (Allocation Failure) 940292K->922327K(1520448K), 0.0980729 secs]
141
[GC (Allocation Failure) 1340925K->1331927K(1827660K), 0.1343144 secs]
[Full GC (Allocation Failure) 1331927K->1331926K(1827660K), 0.0022907 secs]
200 # 时间 > 100 毫秒，说明这段时间没有执行打印线程
101
[GC (Allocation Failure) 2169592K->2151127K(3218920K), 0.2640030 secs]
308 # 时间 > 100 毫秒，说明这段时间没有执行打印线程
100
[GC (Allocation Failure) 2988409K->2970327K(3935748K), 0.2898396 secs]
[Full GC (Allocation Failure) 2970327K->2970327K(3935748K), 0.0101412 secs]
319 # 时间 > 100 毫秒，说明这段时间没有执行打印线程
102
100
[GC (Allocation Failure) 4749529K->4711128K(6930920K), 0.6008220 secs]
101
700 # 时间 > 100 毫秒，说明这段时间没有执行打印线程
100
[GC (Allocation Failure) 6546634K->6451960K(8466980K), 0.6150610 secs]
[Full GC (Allocation Failure) 6451960K->6451960K(8466980K), 0.0177261 secs]
681 # 时间 > 100 毫秒，说明这段时间没有执行打印线程
101
100
1001.4.2 评价标准
1.4.2.1 概述
- 判断一个 GC 算法是否优秀，可以从以下几个方面考虑：
| GC 指标 | 描述 |
|---|---|
| GC 延迟（GC Latency） | 关注 GC 对程序响应时间的影响，即：“停多久” |
| GC 吞吐量（GC Throughput） | 关注 GC 占用资源的比例，即：“效率多高” |
| 占用空间（Footprint ） | 关注内存资源的消耗，即：“开销多大” |
| 应用程序指标（Application Metrics） | 响应时间（Response Time） 吞吐量（ Throughput ） |
提醒
- ①
应用程序指标并不是GC 指标。但是，GC 调优的最终目的是为了提高整体应用程序的性能。 - ② 因此，需要将
GC 指标和应用程序指标一起研究，以确保调整GC 指标确实能提高应用程序性能。 - ③ 可以通过 gceasy 网站来证明
GC 指标，对应的 JVM 参数是：
bash
-XX:+UseSerialGC -Xmx10g -verbose:gc -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCTimeStamps -Xloggc:D:/demo/gc-%t.log- 示例：GC 关键指标
1.4.2.2 延迟（Latency）
GC 延迟是主要的 GC 性能指标。当 GC 开始执行垃圾回收时（GC 事件开始运行，STW），其会暂用所有的用户线程，以便可以执行内存管理任务。换言之，在 GC 事件完成之前，是无法处理用户的任何请求的。衡量每个 GC 事件暂停应用程序多长时间的指标称为GC 延迟。
GC 延迟是以时间单位（毫秒、秒、分钟）进行报告的，即：写到日志中的。其中，平均 GC 暂停时间、最大 GC 暂停时间以及GC 暂停时间范围非常重要。
提醒
高性能的应用程序应该以低延迟为主要目标，即：越低越好（每次 STW 要短，以保证响应性/实时性）。
- 理想的 GC 暂停时间，取决于应用程序。
提醒
- ①
高性能应用程序（交互式应用程序），如：网页、游戏、股票交易平台、太空任务等，需要以毫秒为单位的暂停时间，即：追求低延迟。 - ②
企业业务应用程序，如：ERP、CRM、银行核心系统等，通常可以容忍1-5 秒的暂停时间。 - ③
批处理 / 大数据应用，如：离线分析、ETL 作业等，通常可以容忍数秒至数十秒的暂停时间。
1.4.2.4 吞吐量（Throughput）
GC 吞吐量指的是CPU 用于指定用户代码的时间和CPU 总时间的比值。
提醒
GC 时间：程序运行期间所有垃圾回收事件所消耗时间的总和，包括：标记、清理、压缩等阶段的耗时（含暂停时
- 假设虚拟机一共运行了 100 分钟，其中 GC 花掉了 1 分钟，那么吞吐量就是 99% 。
- 理想的 GC 吞吐量，取决于应用程序。通常情况下，面向客户的应用程序，应该将 GC 吞吐量提高到 98% 以上。
1.4.2.5 占用空间（Footprint ）
占用空间是 Java 性能的一个关键方面，指的是 Java 应用程序在执行过程中使用的内存量。
占用空间指标衡量 Java 应用程序的总内存使用情况，包括：Java 堆、JVM 内部的本机内存、线程堆栈和其他数据结构。
提醒
点我查看 具体细节
- ① 占用空间 = 堆内存 + GC 元数据 + 堆外内存 + GC 运行时开销（严格讲不算），即：占用空间不包括应用程序本身的业务数据，而是指为了实现自动内存管理（即 GC）所付出的“额外代价”。
- ② 堆内存：最直观的就是
年轻代和老年代。- 更大的堆可以减少 GC 频率，提升吞吐量，但会增加 Footprint。
- ③ GC 元数据：这是不同 GC 算法引入的额外内存开销，用于高效追踪对象引用和回收空间。
| 元数据 | 用途 | GC |
|---|---|---|
| 卡表（Card Table） | 记录老年代到年轻代的跨代引用 | CMS、G1、ZGC、Shenandoah |
| 记忆集（Remembered Set, RSet） | G1 中记录 Region 间的引用 | G1 GC（开销大） |
| 位图（Bitmaps） | 标记存活对象、引用状态 | 所有 GC（如 G1、ZGC） |
| SATB 标记栈 | 并发标记时保存对象快照 | G1、Shenandoah |
| 转发指针 / Brooks 指针 | 对象移动时的转发记录 | Shenandoah |
- ④ 堆外内存：某些 GC 将元数据放在 JVM 堆之外，但仍占系统内存（RSS）
| 堆外内存 | 用途 |
|---|---|
| ZGC 的映射表 | 使用mmap分配本地内存存储元数据（如 PageTable、ZAddressArray） |
| G1 的 CSet（Collection Set）结构 | 管理待回收 Region 的元数据 |
| GC 线程栈 | 每个 GC 线程默认栈大小 1MB，多线程时累积显著 |
- ⑤ GC 运行时资源开销（间接 Footprint）：虽然严格来说不属于“内存 Footprint”，但在实际评估中常被关联讨论。
| GC 运行时资源开销 | 用途 |
|---|---|
| CPU 消耗 | 并发标记、写屏障、压缩等操作占用 CPU，影响吞吐 |
| 线程数量 | ZGC/Shenandoah 使用多个并发线程，增加调度开销 |
| 写屏障（Write Barrier）指令开销 | 每次对象引用更新都要执行额外代码 |
1.4.2.6 总结
- 通常而言，延迟（暂停时间）、吞吐量以及占用空间，只能三选二。
提醒
- ① 一般来说，占用空间越大，最大暂停时间就会越大，那么延迟就会稍微高些。
- ② 为了降低延时，可以将大的暂停时间分为多个小的暂停时间，即：增加 GC 的频率。
- ③ 但是，这会导致 GC 的消耗增多（每次执行 GC ，都需要执行一些重复的准备工作），导致 GC 的总时间是上升的，进而导致吞吐量降低。
- 不同的 GC 算法适用于不同的应用场景。
1.5 标记清除算法
1.5.1 概述
- 标记清除算法的核心思想分为两个阶段：
| 阶段 | 描述 |
|---|---|
| 1️⃣ 标记阶段 | 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。 对所有存活对象进行标记。 |
| 2️⃣ 清除阶段 | 从内存中删除没有被标记的对象，即：非存活对象。 |
1.5.2 演示
- 标记阶段：对所有存活对象进行标记。