面试官：谈谈你对G1垃圾收集器都有哪些了解？

Posted 2023-03-25

参考技术A

作为一款高效的垃圾收集器，G1在JDK7中加入JVM，在JDK9中取代CMS成为了默认的垃圾收集器。

新生代采用复制算法，主要的垃圾收集器有三个，Serial、Parallel New 和 Parallel Scavenge，特性如下：

G1垃圾收集器主要用于多处理器、大内存的场景，它有五个属性：分代、增量、并行(大多时候可以并发)、stop the word、标记整理。

我们知道，垃圾收集器的一个目标就是STW(stop the word)越短越好。利用可预测停顿时间模型，G1为垃圾收集设定一个STW的目标时间(通过 -XX:MaxGCPauseMillis 参数设定，默认200ms)，G1尽可能地在这个时间内完成垃圾收集，并且在不需要额外配置的情况下实现高吞吐量。

G1致力于在下面的应用和环境下寻找延迟和吞吐量的最佳平衡：

如果在JDK8中使用G1，我们可以使用参数 -XX:+UseG1GC 来开启。

G1把整个堆分成了大小相等的region，每一个region都是连续的虚拟内存，region是内存分配和回收的基本单位。如下图：

红色带"S"的region表示新生代的survivor，红色不带"S"的表示新生代eden，浅蓝色不带"H"的表示老年代，浅蓝色带"H"的表示老年代中的大对象。跟G1之前的内存分配策略不同的是，survivor、eden、老年代这些区域可能是不连续的。

G1在停顿的时候可以回收整个新生代的region，新生代region的对象要不复制到survivor区要不复制到老年代region。同时每次停顿都可以回收一部分老年代的内存，把老年代从一个region复制到另一个region。

上一节我们看到，整个堆内存被G1分成了多个大小相等的region，每个堆大约可以有2048个region，每个region大小为 1~32 MB(必须是2的次方)。region的大小通过 -XX:G1HeapRegionSize 来设置，所以按照默认值来G1能管理的最大内存大约 32MB * 2048 = 64G。

大对象是指大小超过了region一半的对象，大对象可以横跨多个region，给大对象分配内存的时候会直接分配在老年代，并不会分配在eden区。

如下图，一个大对象占据了两个半region，给大对象分配内存时，必须从一个region开始分配连续的region，在大对象被回收前，最后一个region不能被分配给其他对象。

大对象什么时候回收 ？通常，只有在mark结束以后的Cleanup停顿阶段或者FullGC的时候，死亡的大对象才会被回收掉。但是，基本类型(比如bool数组、所有的整形数组、浮点型数组等)的数组大对象有个例外,G1会在任何GC停顿的时候回收这些死亡大对象。这个默认是开启的，但是可以使用
-XX:G1EagerReclaimHumongousObjects 这个参数禁用掉。

分配大对象的时候，因为占用空间太大，可能会过早发生GC停顿。G1在每次分配大对象的时候都会去检查当前堆内存占用是否超过初始堆占用阈值IHOP(The Initiating Heap Occupancy Percent)，如果当前的堆占用率超过了IHOP阈值，就会立刻触发 initial mark。 关于initial mark详见第4节 。

即使是在FullGC的时候，大对象也是永远不会被移动的。这可能导致过早发生FullGC或者是意外的OOM，因为此时虽然还有大量的空闲内存，但是这些内存都是region中的内存碎片。

G1虽然把堆内存划分成了多个region，但是依然存在新生代和老年代的概念。G1新增了2个控制新生代内存大小的参数，-XX:G1NewSizePercent(默认等于5)，-XX:G1MaxNewSizePercent(默认等于60)。也就是说新生代大小默认占整个堆内存的 5% ~ 60%。

根据前面介绍，一个堆大概可以分配2048个region，每个region最大32M，这样G1管理的整个堆的大小最大可以是64G，新生代占用的大小范围是 3.2G ~ 38.4G。

对于 -XX:G1NewSizePercent 和 -XX:G1MaxNewSizePercent，下面几个问题需要注意：

生效，比如堆大小是64G，设置 -Xmn3.2G，那么就等价于 -XX:G1NewSizePercent=5 并且 -XX:G1MaxNewSizePercent=5，因为3.2G/64G = 5%。

生效，比如堆大小是64G，设置 -XX:NewRatio=3，那么就等价于 -XX:G1NewSizePercent=25 并且 -XX:G1MaxNewSizePercent=25。因为年轻代：老年代 = 1 ：3，说明年轻代占1/4 = 25%。

设置的这个参数不生效，两个参数都用默认值。

跟 -XX:GCTimeRatio 这个参数相关。这个参数为0~100之间的整数(G1默认是9, 其它收集器默认是99)，值为 n 则系统将花费不超过 1/(1+n) 的时间用于垃圾收集。因此G1默认最多 10% 的时间用于垃圾收集，如果垃圾收集时间超过10%，则触发扩容。如果扩容失败，则发起Full GC。

G1的垃圾收集是在 Young-Only 和 Space-Reclamation两个阶段交替执行的。如下图：

young-only阶段会用对象逐步把老年代区域填满，space-reclamation阶段除了会回收年轻代的内存以外，还会增量回收老年代的内存。完成后重新开始young-only阶段。

Young-only阶段流程如下图：

这个阶段从普通的 young-only GC 开始，young-only GC把一些对象移动到老年代，当老年代的空间占用达到IHOP时，G1就停止普通的young-only GC，开始初始标记(Initial Mark)。

在young-only阶段，要回收新生代的region。每一次 young-only 结束的时候，G1总是会调整新生代大小。G1可以使用参数 -XX:MaxGCPauseTimeMillis和
-XX:PauseTimeIntervalMillis 来设置目标停顿时间，这两个参数是对实际停顿时间的长期观察得来的。他会根据在GC的时候要拷贝多少个对象，对象之间是如何相互关联的等信息计算出来回收相同大小的新生代内存需要花费多少时间，

如果没有其他的限定条件，G1会把young区的大小调整为 -XX:G1NewSizePercent和 -XX:G1MaxNewSizePercent 之间的值来满足停顿时间的要求。

这个阶段由多个Mixed GC组成，不光回收年轻代垃圾，也回收老年代垃圾。当 G1 发现回收更多的老年代区域不能释放更多空闲空间时，这个阶段结束。之后，周期性地再次开启一个新的Young-only阶段。

当G1收集存活对象信息时内存不足，G1会做一个Full GC，并且会STW。

在 space-reclamation 阶段，G1会尽量在GC停顿时间内回收尽可能多的老年代内存。这个阶段新生代内存大小被调整为 -XX:G1NewSizePercent 设置的允许的最小值，只要存在可回收的老年代region就会被添加到回收集合中，直到再添加会超出目标停顿时间为止。在特定的某个GC停顿时间内，G1会按照这老年代region回收的效率(效率高的优先收集)和剩余可用时间来得到最终待回收region集合。

每一个GC停顿期间要回收的老年代region数量受限于候选region集合数量除以 -XX:G1MixedGCCountTarget 这个参数值，参数 -XX:G1MixedGCCountTarget 指定一个周期内触发Mixed GC最大次数，默认值8。比如 -XX:G1MixedGCCountTarget 采用默认值8，候选region集合有200个region，那每次停顿期间收集25个region。

当待回收region集合中可回收的空间占用率低于参数值 -XX:G1HeapWastePercent 的时候，Space-Reclamation结束。

当应用存活对象占用了大量内存，以至于回收剩余对象没有足够的空间拷贝时，就会触发 evacuation failure。这时G1为了完成当前的垃圾收集，会保留已经位于新的位置上的存活对象不动，对于没有移动和拷贝的对象就不会进行拷贝了，仅仅调整对象间的引用。

evacuation failure会导致一些额外的开销，但是一般会跟其他 young GC 一样快。evacuation failure完成以后，G1会跟正常情况下一样继续恢复应用的执行。G1会假设 evacuation failure是发生在GC的后期，这时大部分对象已经移动过了，并且已经有足够的内存来继续执行应用程序一直到 mark 结束 space-reclamation 开始。如果这个假设不成立(也就是说没有足够的内存来执行应用程序)，G1最终只能发起Full GC，对整个堆做压缩，这个过程可能会非常慢。

Parallel GC 可以压缩和回收老年代的内存，但是也只能对老年代整体来操作。G1以增量的方式把整个GC工作增量的分散到多个更短的停顿时间中，当然这可能会牺牲一定吞吐量。

跟CMS类似，G1并发回收老年代内存，但是，CMS采用标记-清除算法，不会处理老年代的内存碎片，最终就会导致长时间的FullGC。

因为采用并发收集，G1的性能开销会更大，这可能会影响吞吐量。

G1在任何的GC期间都可以回收老年代中全空或者占用大空间的内存。这可以避免一些不必要的GC，因为可以非常轻易地释放大量的内存空间。这个功能默认开启，可以采用
-XX:-G1EagerReclaimHumongousObjects 参数关闭。

G1可以选择对整个堆里面的String进行并行去重。这个功能默认关闭，可以使用参数 -XX:+
G1EnableStringDeduplication 来开启。

本文详细介绍了G1垃圾收集器，希望能够对你理解G1有所帮助。

面试官：你对JVM垃圾收集器了解吗？13连问你是否抗的住！

关于JVM垃圾收集器的面试题

1、简述Java垃圾回收机制

2、GC是什么？为什么要GC

3、垃圾回收的优点和原理。并考虑2种回收机制

4、垃圾回收器的基本原理是什么？垃圾回收器可以马上回收内存吗？有什么办法主动通知虚拟机进行垃圾回收？

5、Java 中都有哪些引用类型？

6、怎么判断对象是否可以被回收？

7、在Java中，对象什么时候可以被垃圾回收

8、JVM中的永久代中会发生垃圾回收吗

9、说一下 JVM 有哪些垃圾回收算法？

10、说一下 JVM 有哪些垃圾回收器？

11、详细介绍一下 CMS 垃圾回收器？

12、新生代垃圾回收器和老年代垃圾回收器都有哪些？有什么区别？

13、简述分代垃圾回收器是怎么工作的？

1、简述Java垃圾回收机制

在java中，程序员是不需要显示的去释放一个对象的内存的，而是由虚拟机自行执行。在JVM中，有一个垃圾回收线程，它是低优先级的，在正常情况下是不会执行的，只有在虚拟机空闲或者当前堆内存不足时，才会触发执行，扫面那些没有被任何引用的对象，并将它们添加到要回收的集合中，进行回收。

2、GC是什么？为什么要GC

GC 是垃圾收集的意思（Gabage Collection）,内存处理是编程人员容易出现问题的地方，忘记或者错误的内存

回收会导致程序或系统的不稳定甚至崩溃，Java 提供的 GC 功能可以自动监测对象是否超过作用域从而达到自动

回收内存的目的，Java 语言没有提供释放已分配内存的显示操作方法。

3、垃圾回收的优点和原理。并考虑2种回收机制

Java语言最显著的特点就是引入了垃圾回收机制，它使java程序员在编写程序时不再考虑内存管理的问题。

由于有这个垃圾回收机制，java中的对象不再有“作用域”的概念，只有引用的对象才有“作用域”。

垃圾回收机制有效的防止了内存泄露，可以有效的使用可使用的内存。

垃圾回收器通常作为一个单独的低级别的线程运行，在不可预知的情况下对内存堆中已经死亡的或很长时间没有用过的对象进行清除和回收。

程序员不能实时的对某个对象或所有对象调用垃圾回收器进行垃圾回收。

垃圾回收有分代复制垃圾回收、标记垃圾回收、增量垃圾回收。

4、垃圾回收器的基本原理是什么？垃圾回收器可以马上回收内存吗？有什么办法主动通知虚拟机进行垃圾回收？

对于GC来说，当程序员创建对象时，GC就开始监控这个对象的地址、大小以及使用情况。

通常，GC采用有向图的方式记录和管理堆(heap)中的所有对象。通过这种方式确定哪些对象是"可达的"，哪些对象是"不可达的"。当GC确定一些对象为"不可达"时，GC就有责任回收这些内存空间。

可以。程序员可以手动执行System.gc()，通知GC运行，但是Java语言规范并不保证GC一定会执行。

5、Java 中都有哪些引用类型？

• 强引用：发生 gc 的时候不会被回收。

• 软引用：有用但不是必须的对象，在发生内存溢出之前会被回收。

• 弱引用：有用但不是必须的对象，在下一次GC时会被回收。

• 虚引用（幽灵引用/幻影引用）：无法通过虚引用获得对象，用 PhantomReference 实现虚引用，虚引用的用途是在 gc 时返回一个通知。

6、怎么判断对象是否可以被回收？

垃圾收集器在做垃圾回收的时候，首先需要判定的就是哪些内存是需要被回收的，哪些对象是「存活」的，是不可以被回收的；哪些对象已经「死掉」了，需要被回收。

一般有两种方法来判断：

• 引用计数器法：为每个对象创建一个引用计数，有对象引用时计数器 +1，引用被释放时计数 -1，当计数器为 0 时就可以被回收。它有一个缺点不能解决循环引用的问题；

• 可达性分析算法：从 GC Roots 开始向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链。当一个对象到 GC Roots 没有任何引用链相连时，则证明此对象是可以被回收的。

7、在Java中，对象什么时候可以被垃圾回收

当对象对当前使用这个对象的应用程序变得不可触及的时候，这个对象就可以被回收了。

垃圾回收不会发生在永久代，如果永久代满了或者是超过了临界值，会触发完全垃圾回收(Full GC)。如果你仔细查看垃圾收集器的输出信息，就会发现永久代也是被回收的。这就是为什么正确的永久代大小对避免Full GC是非常重要的原因。

8、JVM中的永久代中会发生垃圾回收吗

垃圾回收不会发生在永久代，如果永久代满了或者是超过了临界值，会触发完全垃圾回收(Full GC)。如果你仔细查看垃圾收集器的输出信息，就会发现永久代也是被回收的。这就是为什么正确的永久代大小对避免Full GC是非常重要的原因。请参考下Java8：从永久代到元数据区

(译者注：Java8中已经移除了永久代，新加了一个叫做元数据区的native内存区)

9、说一下 JVM 有哪些垃圾回收算法？

• 标记-清除算法：标记无用对象，然后进行清除回收。缺点：效率不高，无法清除垃圾碎片。

• 复制算法：按照容量划分二个大小相等的内存区域，当一块用完的时候将活着的对象复制到另一块上，然后再把已使用的内存空间一次清理掉。缺点：内存使用率不高，只有原来的一半。

• 标记-整理算法：标记无用对象，让所有存活的对象都向一端移动，然后直接清除掉端边界以外的内存。

• 分代算法：根据对象存活周期的不同将内存划分为几块，一般是新生代和老年代，新生代基本采用复制算法，老年代采用标记整理算法。

标记-清除算法

标记无用对象，然后进行清除回收。

标记-清除算法（Mark-Sweep）是一种常见的基础垃圾收集算法，它将垃圾收集分为两个阶段：

• 标记阶段：标记出可以回收的对象。

• 清除阶段：回收被标记的对象所占用的空间。

标记-清除算法之所以是基础的，是因为后面讲到的垃圾收集算法都是在此算法的基础上进行改进的。

优点：实现简单，不需要对象进行移动。

缺点：标记、清除过程效率低，产生大量不连续的内存碎片，提高了垃圾回收的频率。

标记-清除算法的执行的过程如下图所示

复制算法

为了解决标记-清除算法的效率不高的问题，产生了复制算法。它把内存空间划为两个相等的区域，每次只使用其中一个区域。垃圾收集时，遍历当前使用的区域，把存活对象复制到另外一个区域中，最后将当前使用的区域的可回收的对象进行回收。

优点：按顺序分配内存即可，实现简单、运行高效，不用考虑内存碎片。

缺点：可用的内存大小缩小为原来的一半，对象存活率高时会频繁进行复制。

复制算法的执行过程如下图所示

标记-整理算法

在新生代中可以使用复制算法，但是在老年代就不能选择复制算法了，因为老年代的对象存活率会较高，这样会有较多的复制操作，导致效率变低。标记-清除算法可以应用在老年代中，但是它效率不高，在内存回收后容易产生大量内存碎片。因此就出现了一种标记-整理算法（Mark-Compact）算法，与标记-整理算法不同的是，在标记可回收的对象后将所有存活的对象压缩到内存的一端，使他们紧凑的排列在一起，然后对端边界以外的内存进行回收。回收后，已用和未用的内存都各自一边。

优点：解决了标记-清理算法存在的内存碎片问题。

缺点：仍需要进行局部对象移动，一定程度上降低了效率。

标记-整理算法的执行过程如下图所示

分代收集算法

当前商业虚拟机都采用分代收集的垃圾收集算法。分代收集算法，顾名思义是根据对象的存活周期将内存划分为几块。一般包括年轻代、老年代 和 永久代，如图所示：

10、说一下 JVM 有哪些垃圾回收器？

如果说垃圾收集算法是内存回收的方法论，那么垃圾收集器就是内存回收的具体实现。下图展示了7种作用于不同分代的收集器，其中用于回收新生代的收集器包括Serial、PraNew、Parallel Scavenge，回收老年代的收集器包括Serial Old、Parallel Old、CMS，还有用于回收整个Java堆的G1收集器。不同收集器之间的连线表示它们可以搭配使用。

• Serial收集器（复制算法): 新生代单线程收集器，标记和清理都是单线程，优点是简单高效；

• ParNew收集器 (复制算法): 新生代收并行集器，实际上是Serial收集器的多线程版本，在多核CPU环境下有着比Serial更好的表现；

• Parallel Scavenge收集器 (复制算法): 新生代并行收集器，追求高吞吐量，高效利用 CPU。吞吐量 = 用户线程时间/(用户线程时间+GC线程时间)，高吞吐量可以高效率的利用CPU时间，尽快完成程序的运算任务，适合后台应用等对交互相应要求不高的场景；

• Serial Old收集器 (标记-整理算法): 老年代单线程收集器，Serial收集器的老年代版本；

• Parallel Old收集器 (标记-整理算法)： 老年代并行收集器，吞吐量优先，Parallel Scavenge收集器的老年代版本；

• CMS(Concurrent Mark Sweep)收集器（标记-清除算法）： 老年代并行收集器，以获取最短回收停顿时间为目标的收集器，具有高并发、低停顿的特点，追求最短GC回收停顿时间。

• G1(Garbage First)收集器 (标记-整理算法)： Java堆并行收集器，G1收集器是JDK1.7提供的一个新收集器，G1收集器基于“标记-整理”算法实现，也就是说不会产生内存碎片。此外，G1收集器不同于之前的收集器的一个重要特点是：G1回收的范围是整个Java堆(包括新生代，老年代)，而前六种收集器回收的范围仅限于新生代或老年代。

11、详细介绍一下 CMS 垃圾回收器？

CMS 是英文 Concurrent Mark-Sweep 的简称，是以牺牲吞吐量为代价来获得最短回收停顿时间的垃圾回收器。对于要求服务器响应速度的应用上，这种垃圾回收器非常适合。在启动 JVM 的参数加上“-XX:+UseConcMarkSweepGC”来指定使用 CMS 垃圾回收器。

CMS 使用的是标记-清除的算法实现的，所以在 gc 的时候回产生大量的内存碎片，当剩余内存不能满足程序运行要求时，系统将会出现 Concurrent Mode Failure，临时 CMS 会采用 Serial Old 回收器进行垃圾清除，此时的性能将会被降低。

12、新生代垃圾回收器和老年代垃圾回收器都有哪些？有什么区别？

• 新生代回收器：Serial、ParNew、Parallel Scavenge

• 老年代回收器：Serial Old、Parallel Old、CMS

• 整堆回收器：G1

新生代垃圾回收器一般采用的是复制算法，复制算法的优点是效率高，缺点是内存利用率低；老年代回收器一般采用的是标记-整理的算法进行垃圾回收。

13、简述分代垃圾回收器是怎么工作的？

分代回收器有两个分区：老生代和新生代，新生代默认的空间占比总空间的 1/3，老生代的默认占比是 2/3。

新生代使用的是复制算法，新生代里有 3 个分区：Eden、To Survivor、From Survivor，它们的默认占比是 8:1:1，它的执行流程如下：

• 把 Eden + From Survivor 存活的对象放入 To Survivor 区；

• 清空 Eden 和 From Survivor 分区；

• From Survivor 和 To Survivor 分区交换，From Survivor 变 To Survivor，To Survivor 变 From Survivor。

每次在 From Survivor 到 To Survivor 移动时都存活的对象，年龄就 +1，当年龄到达 15（默认配置是 15）时，升级为老生代。大对象也会直接进入老生代。

老生代当空间占用到达某个值之后就会触发全局垃圾收回，一般使用标记整理的执行算法。以上这些循环往复就构成了整个分代垃圾回收的整体执行流程。

最后

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