垃圾標記

是垃圾回收的第一階段，也是垃圾回收算法中關鍵的一步。它的主要目的是通過遍歷內存中存活的對象，來標記哪些對象仍是可達的（即活躍的），哪些對象是不可達的（既可以被垃圾回收）。

標記的結果，將作為下一步（清理，壓縮）的依據，確定哪些對象需要被釋放或者移動

垃圾回收策略

1. 引用計數法

原理：

• 每個對象維護一個 引用計數器，用於記錄該對象被引用的次數。
• 當對象被創建或被引用時，計數器增加。
• 當引用被移除或銷燬時，計數器減少。
• 如果計數器為零，説明該對象不可達，可以被回收。

實現流程：

• 初始化時，計數器設為 0。
• 每當有新的引用指向該對象時，計數器 +1。
• 每當引用消失時，計數器 -1。
• 如果計數器為 0，該對象會被立即回收。

缺點：

• 循環引用問題：

  • 如果兩個或多個對象相互引用，但沒有其他外部對象引用它們，則它們的計數器始終大於零，導致無法被回收。
  • 例如：

class Node {
    Node next;
}
Node a = new Node();
Node b = new Node();
a.next = b;
b.next = a;

• 維護開銷大：

  • 每次引用變化都需要更新計數器，可能會影響性能。

2. 根搜索法

原理：

• 從一組稱為 GC Roots 的根對象開始，通過引用關係遍歷對象圖。
• 如果某個對象可以通過 GC Roots 找到，則認為它是可達的；否則認為它是不可達的，可以被回收。

實現流程：

• 從 GC Roots 出發，標記所有可以訪問到的對象。
• 遍歷整個堆，將未被標記的對象視為垃圾，進行回收。

優點：

• 無循環引用問題：

  • 可達性分析僅關注對象是否能從根集合到達，不會因循環引用無法回收。

• 適用於複雜的引用關係：

  • 能處理對象圖中存在大量交叉引用的複雜場景。

• 分代垃圾回收的基礎：

  • 新生代、老年代的分代策略都基於此方法。

缺點：

• 暫停應用線程：

  • 傳統的垃圾收集器需要暫停所有應用線程（Stop-the-World），執行可達性分析，可能導致停頓時間較長。

• 實現複雜：

  • 需要額外的輔助數據結構和更復雜的遍歷邏輯。

分代回收策略

1. 新生代 GC（Minor GC）

• 觸發條件：

  • 新生代的 Eden 區滿時觸發。

• 回收策略：

  • 採用 複製算法：
  • 將 Eden 區和一個 Survivor 區中的存活對象複製到另一個 Survivor 區或老年代。
  • 減少內存碎片問題，適合對象存活時間短的特點。

• 特點：

  • 回收速度快，代價低。

2. 老年代 GC（Major GC / Full GC）

• 觸發條件：

  • 老年代內存不足時觸發。

• 回收策略：

  • 通常採用 標記-清除算法 或 標記-整理算法：

    • 標記-清除算法：標記存活對象，清除無用對象，但可能會產生碎片。
    • 標記-整理算法：在標記存活對象後，將存活對象移動到一側，整理內存，避免碎片。

  • 特點：

    • 回收速度較慢，代價高，可能會導致應用長時間停頓。

垃圾回收器

1. Serial GC

• 特點：

  • 單線程工作
  • 適用於單核環境和小堆內存（100MB）
  • 新生代使用複製算法，老年代使用標記-整理算法

• 優點：

  • 實現簡單，適合小型應用

• 缺點

  • 垃圾回收期間會停止所有應用線程（STW），延遲較高

• 適用環境

  • 單線程，內存較小的應用

2. Parallel GC

• 特點：

  • 多線程執行垃圾回收，提升回收速度
  • 注意吞吐量（應用運行時間與垃圾回收時間的比值）
  • 新生代使用複製算法，老年代使用標記-整理算法

• 優點：

  • 吞吐量高，適合多核CPU

• 缺點：

  • STW時間比較長，不適合低延遲的場景

• 使用場景：

  • 後台計算型任務，大批量數據處理應用

3. CMS GC（Concurrent Mark-Sweep）

• 特點

  • 專注於低延遲，適合對響應時間要求高的應用
  • 老年代使用標記-清理算法，新生代使用複製算法

  • 老年代回收分為以下階段

    • 初始階段：標記GC Roots可達的對象（短暫暫停）
    • 併發標記：多線程遍歷對象圖
    • 重新標記：修正併發標記階段的變動對象（短暫暫停
    • 併發清楚：清楚不可達對象

• 優點

  • 停頓時間短，適合交互型應用。

• 缺點

  • 容易產生內存碎片
  • 併發清理階段可能導致系統吞吐量下降

• 使用場景

  • 低延遲、高響應的應用，如Web服務器

4. G1 GC（Garbage First）

• 特點：

  • 通過將堆劃分為多個區域，以區域為單位回收
  • 同時支持新生代和老年代的回收（混合回收）
  • 停頓可控：允許用户設置最大停頓時間目標

• 回收過程

  • 初始標記：標記 GC Roots 直接可達的對象。
  • 併發標記：遍歷堆中的對象圖，標記存活對象。
  • 篩選回收：按回收收益優先級回收部分區域。
  • 清理：整理內存，釋放區域。

• 優點：

  • 減少老年代碎片。
  • 可控的停頓時間。

• 缺點：

  • 相比 CMS，初期調優難度較高。

• 使用場景：

  • 大堆內存、多核 CPU 的低延遲場景。

5. ZGC（Z Garbage Collector）

• 特點：

  • 超低延遲垃圾回收器，目標是將停頓時間控制在10ms以下
  • 使用染色指針標記對象狀態

  • 回收過程

    • 併發標記：找到存活對象
    • 併發轉移：將存活對象複製到新區域
    • 併發清除：清除垃圾對象
  • 支持非常大的堆內存（TB 級別）

• 優點：

  • 停頓時間極低，適合實時性要求高的場景

• 缺點：

  • 初期內存佔用比較高
  • 僅支持64位系統

• 使用場景：

  • 超低延遲需求的應用，如金融交易系統

6. Shenandoah GC

• 特點：

  • 和ZGC類似，目標是低延遲，減少STW時間
  • 通過併發整理老年代對象，避免碎片化

• 優點：

  • 和 G1 相比，停頓時間更短

• 缺點：

  • 內存開銷高

• 使用場景：

  • 延遲敏感的服務端應用

垃圾標記的過程

1. 從根集合（GC Roots）出發：
2. 垃圾標記階段以一組成為GC Roots的引用集合為起點。

3. 常見的GC Roots包括：

   • Java棧中的局部變量
   • 方法區的靜態變量和常量
   • 本地方法棧中的JNI引用

• 通過引用關係遍歷對象圖：

  • 以GC Roots為起點，通過深度優先或者廣度優先的方式遍歷所有可達的對象。
  • 遍歷到的對象會被標記為“存活”狀態

• 標記不可達對象：

  • 未被訪問到的對象會被認為是垃圾，標記為“不可達”

垃圾標記的方式

垃圾標記的具體實現方式可能因垃圾回收算法不同而異。常見的標記方式有：

1. 標記-清除算法（Mark-Sweep）

   • 標記階段：從GC Roots出發，遍歷並標記所有存活的對象
   • 清除階段：掃描堆內存，清理未被標記的對象

   • 缺點：

     • 標記和清理後會產生很多的碎片

2. 標記-複製算法（Mark-Copy）

   • 將可達對象複製到新的區域，未被複制的對象被認為是垃圾

   • 優點：

     • 避免內存碎片，但需要額外的內存空間

3. 標記-整理算法（Mark-Compact）

   • 標記階段：標記所有存活的對象
   • 整理階段：將存活的對象壓到堆的一端，清理無用對象，釋放空間

   • 優點：

     • 解決了內存碎片的問題

4. 三色標記法（多線程GC的經典方式）

   • 白色：尚未訪問的對象（默認狀態，潛在垃圾）
   • 灰色：已訪問但未處理完引用的對象
   • 黑色：已訪問且其引用已處理完的對象
   • 標記完成後，白色對象即為垃圾，可以被回收

GC Roots的作用

• GC Roots是垃圾標記的起點，決定了哪些對象是根可達的

• 可通過以下途徑訪問到的對象會被視為存活：

  • 棧中的局部變量
  • 靜態屬性引用的對象
  • 常量引用的對象
  • JNI（本地方法接口）中引用的對象

標記技術的優化

現代 GC 使用了多種技術優化垃圾標記的性能：

1. 增量標記

   • 講標記過程拆分成多個小步驟，減少GC的事件

2. 併發標記

   • 標記階段與應用線程一同進行，進一步降低停頓時間（G1和ZGC）

3. 分代標記

   • 對象分代後，新生代和老年代按照不同的標記策略，提升性能

加餐知識 三色標記法

是垃圾回收（GC）中的一種對象標記算法，常用於併發垃圾收集器（如 G1、ZGC）中。它通過將對象分為三種顏色（白色、灰色和黑色）來表示其標記狀態，能夠有效地支持併發標記和增量標記，從而減少 GC 暫停時間。

三色標記法的基本概念

1. 白色（White）

   • 未被標記到的對象
   • 在標記階段開始時，所有對象都是白色
   • 最終未被標記為其他顏色的白色對象會被回收

2. 灰色（Gray）

   • 已經被訪問，但其引用的子對象是尚未被完全處理的對象
   • 灰色對象表示“正在處理”的狀態，需要繼續遞歸處理其引用

3. 黑色（Black）

   • 已經被訪問，且其引用的子對象全部被處理完畢的對象
   • 黑色對象表示“完全標記完成”，不會再重新掃描

三色標記的過程

1. 初始化階段：

   • 所有對象默認為白色
   • 將從GC Roots可達的對象放入灰色集合，表示需要處理

2. 標記階段

   • 從灰色集合中取出一個對象，將其標記為黑色

   • 遍歷該對象的所有引用：

     • 如果引用的對象是白色，將其標記為灰色，表示需要處理
     • 如果引用的對象是灰色和黑色，則無需操作
   • 重複該過程，直到灰色集合為空

3. 清理階段

   • 任何仍然是白色的對象都不可達，標記為垃圾，可以被回收。

三色核心原則

1. 三色不變性

   • 在標記過程中，三種顏色的對象之間關係遵循不變量：

     • 黑色對象不能引用白色對象。
     • 如果一個灰色對象引用了白色對象，那麼該白色對象最終會被處理。

2. 強三色不變性

   • 黑色對象不能直接或間接引用白色對象。
   • 確保所有白色對象都無法通過黑色對象再次可達。

3. 弱三色不變性

   • 黑色對象可以直接引用白色對象，但灰色對象必須先處理所有引用。
   • 更適合併發場景，因為更寬鬆的約束允許應用線程和標記線程同時運行。

併發標記中的問題

在併發場景下，應用線程和垃圾收集器同時運行可能導致 漏標記問題（對象被誤認為不可達），需要特殊處理。

問題：漂白問題（對象被錯誤回收）

• 如果應用線程在標記階段將某個黑色對象的引用指向一個白色對象，那麼該白色對象可能會跳過標記，最終被錯誤回收。

解決方案：寫屏障

為了避免上述問題，引入寫屏障機制。寫屏障通過攔截對象引用的修改操作，確保引用關係的改變不會破壞三色不變性。

兩種寫屏障策略：

1. 增灰策略：

   • 當應用線程將一個白色對象引用賦值給黑色對象時，將該白色對象重新標記為灰色。
   • 確保其能被繼續處理。

2. 增黑策略：

   • 禁止應用線程直接修改黑色對象，使其引用白色對象，直到標記完成。
   • 這種方式簡單但可能降低併發效率。

三色標記法的優缺點

優點：

1. 支持併發標記：

   • 標記線程和應用線程可以同時運行，減少停頓時間。

2. 適合增量標記：

   • 標記過程可以分為多個小步驟執行，避免長時間的暫停。

3. 理論清晰：

   • 基於可達性分析和三色不變性，邏輯明確，易於擴展。

缺點：

1. 需要寫屏障：

   • 為了維護三色不變性，需要引入寫屏障，增加了實現複雜度。

2. 可能產生額外的開銷：

   • 寫屏障和增灰策略會帶來額外的 CPU 負載。