这里所提到的到都是GC涉及到的一些概念，具体不同的收集器由于内存结构不同，并发串行不同，实现上不止下面这些东西

STW GC中Stop the world

即在执行垃圾收集算法时,Java应用程序的其他所有除了垃圾收集收集器线程之外的线程都被挂起。此时，系统只能允许GC线程进行运行，其他线程则会全部暂停，等待GC线程执行完毕后才能再次运行。jvm虚拟机调优的目的：尽量避免full gc

GC的过程

  • 垃圾对象:没有被引用的对象，没有GCRoots链条上的对象
  • 非垃圾对象:被引用的对象

gc java roots详解 jvm gc root_垃圾收集器

可达性分析算法

难点：

  • 查找的过程，光方法区就常有数百上千兆，逐个检查效率太低
  • 查找的过程，是必须要暂停用户线程。

安全点(能说大概)

  • 来由：由于查找的过程需要暂停用户线程，不可能程序运行每条指令都执行一遍垃圾回收。
  • 定义：在特定的位置才会进行GC，这些位置就叫做安全点。
  • 选取原则：可以让程序一直安全的跑下去，不能让太多的死对象占据内存。
  • 遇到长时间执行的指令前就给它 GC 一下，类如方法的调用、循环跳转、异常跳转等，遇到类似的执行才会生成 Safepoint
  • 实现方式(这里的多线程是指运行同一份代码无法确定运行顺序的解决方案)：
  • 抢占式中断：不管你现在在哪里，先给你中断，然后一看，噢原来你不在安全点，就恢复线程让你跑一会，然后又中断直到你到了安全点再 GC。(已经没有虚拟机会用这个)
  • 主动式中断：需要 GC 的时候，不需要强制中断线程了，只需要在安全点设置一个轮询标识，线程只需要去轮询这个标识即可，线程到安全点了，自己主动中断，进而 GC。

安全区域(能说大概)

针对主动式中断，假如我有一个线程正好block住，它没有在运行，就不能去轮询 GC 标识了，我们难道要等到它运行再 GC，不可能的对吧！

反过来想一下就是，假如线程本身就不再执行，那何必去管它呢，因为它不可能使引用发生变化啊。故我们又定义了一个安全区域的概念，在这个代码片段之中发生 GC 都是可以的，因为引用不曾改变。这就是扩大版的安全点啊，也就是它会把block的相关代码点设为安全区域

在线程执行到安全区域中的代码时，首先标识自己已经进入了安全区域，那样，当这段时间内 JVM 要发起 GC 时，就不管没到安全点但是在安全区域的线程。在线程要离开安全区域时，要检查系统是否已经完成了 GC，如果完成了，那就继续执行，否则就要等待 GC 结束的标识之后才可以离开安全区域。

记忆集(能说大概)

学会卡表和写屏障的概念

如果发现老年代的内存区域存在新生代的引用，那么将会将对象加入记忆集。垃圾回收时，记忆集里面的对象会加入GCroot，就避免了老年代的全遍历回收。

记忆集的实现方式是通过 卡表的方式

gc java roots详解 jvm gc root_gc java roots详解_02

  • card Table:值01，若为1说明该卡页内对象存在指向收集区域的指针
  • card Page:存地址值
  • 映射关系：card Table[address>>9] 类似hashmap

何时记录变脏呢？

在引用类型字段赋值的那一刻，通过机器码层面的手段，把维护卡表的动作放到每一个赋值操作之中。也叫写屏障

并发可达性分析（必备）

根节点枚举所带来的停顿是非常短暂且相对固定的，但是GC Roots往下遍历对象图，这一步骤的时间与堆容量成正比，因此采用并发扫描。然而并发扫描存在并发问题如下：

垃圾收集器从 GC Roots 开始标记的过程示意图如下：

gc java roots详解 jvm gc root_用户线程_03

三色标记(也可能会考)：

  • 白色：对象尚未被垃圾收集器访问过（若在分析结束后，对象仍为白色，则表示不可达）
  • 黑色：对象已被垃圾收集器访问过，且该对象所有引用都已被扫描（安全存活的）
  • 灰色：对象已被垃圾收集器访问过，但未扫描完所有引用（即该对象正在被扫描，可理解为中间态）

注意引用是有方向的。

但是，如果在标记过程中，用户线程对引用关系做了修改，如下：

gc java roots详解 jvm gc root_垃圾收集器_04

在上图的（4）中：

  1. 原先对象 A 未引用 C，对象 B 引用了 C；
  2. 但标记到 B 时，用户线程断开了 B 到 C 的引用，而使 A 引用了 C；
  3. 则垃圾收集器标记完成后，C 依然是白色（即会被回收掉）；
  4. 对象 DEFG 同理。

这样导致的后果就是：正在被对象 A 和 D 引用的对象 C 和 G，在垃圾收集器标记的过程中，由于用户线程的运行，导致本应存活的对象被垃圾收集器标记为消亡、并回收了。程序会因此报错，这是个严重的问题。

如何解决对象消失(主要掌握这个)

如何解决上述“对象消失”的问题呢？理论证明，当且仅当以下两个条件同时满足时，才会产生“对象消失”的问题：

  1. 赋值器插入了一条或多条从黑色对象到白色对象的新引用；
  2. 赋值器删除了全部从灰色对象到该白色对象的直接或间接引用。

针对这两个条件，在上图中，以对象 A、B、C 为例解释如下：
若只增加了 A 对 C 的引用，则 C 在垃圾回收后依然是存活的，不会出错。
若只有 B 断开了对 A 的引用，则 C 在垃圾回收后是消亡的，但并没有 A 对 C 的引用，因此也不会出错。

因此，要解决并发扫描时的对象消失问题，只需破坏其中一个即可。由此产生了两种解决方案：增量更新（Increment Update）和原始快照（Snapshot At The Begining, SATB）。

增量更新

  • 思路：破坏第一个条件。
  • 做法：黑色对象（A）插入新的指向白色对象（C）的引用关系（A→C）时，就将这个新插入的引用记录下来，待并发扫描结束之后，再以这些记录过的引用关系中的黑色为根，重新扫描一次。
  • 简化理解：黑色对象一旦新插入了指向白色对象的引用，它就变为灰色（需重新扫描）了。

原始快照

  • 思路：破坏第二个条件。
  • 做法：当灰色对象（B）要删除指向白色对象（C）的引用关系（B→C）时，就将这个要删除的引用记录下来，并发扫描结束后，再以这些记录过的引用关系中的灰色对象为根，重新扫描一次(可能会有一些垃圾对象但是也没关系)。
  • 简化理解：无论引用关系删除与否，都会按照刚开始扫描那一刻的对象图快照来进行搜索。

这两种方案都有在用：在 HotSpot 虚拟机中，CMS 是基于增量更新来做并发标记的，G1、Shenandoah 则是用原始快照实现的。

举例

以上图为例：在并发扫描时，增加了 A→C 引用，并且删除了 B→C 引用，若不采取任何措施，则扫描结束后对象 C 会消失。

两种解决方案的做法分别如下：

  • 增量更新：将已标记为黑色的对象 A 置为灰色，待并发扫描结束后，重新扫描对象 A。此时可以扫描到 A→C 引用，对象 C 不会消失。
  • 原始快照：若要删除 B→C 引用，则将原始的 B→C 引用记录下来（原始的快照），待并发扫描结束后，重新扫描对象 B，由于记录的是原始信息，其中包含 B→C 引用。这样，即便未扫描到 A→C 引用，对象 C 也不会消失。

此外，无论引用关系记录的插入还是删除，虚拟机都是通过写屏障实现的