阿里面试官：垃圾回收都不懂？来面试？

Posted 2021-12-16 Java3y

面试官：我还记得上次你讲到JVM内存结构（运行时数据区域）提到了「堆」，然后你说是分了几块区域嘛

面试官：当时感觉再讲下去那我可能就得加班了

面试官：今天有点空了，继续聊聊「堆」那块吧

候选者：嗯，前面提到了堆分了「新生代」和「老年代」，「新生代」又分为「Eden」和「Survivor」区，「survivor」区又分为「From Survivor」和「To Survivor」区

候选者：说到这里，我就想聊聊Java的垃圾回收机制了

面试官：那你开始你的表演吧

候选者：我们使用Java的时候，会创建很多对象，但我们未曾「手动」将这些对象进行清除

候选者：而如果用C/C++语言的时候，用完是需要自己free(释放)掉的

候选者：那为什么在写Java的时候不用我们自己手动释放”垃圾”呢？原因很简单，JVM帮我们做了（自动回收垃圾）

面试官：嗯…

候选者：我个人对垃圾的定义：只要对象不再被使用了，那我们就认为该对象就是垃圾，对象所占用的空间就可以被回收

面试官：那是怎么判断对象不再被使用的呢？

候选者：常用的算法有两个「引用计数法」和「可达性分析法」

候选者：引用计数法思路很简单：当对象被引用则+1，但对象引用失败则-1。当计数器为0时，说明对象不再被引用，可以被可回收

候选者：引用计数法最明显的缺点就是：如果对象存在循环依赖，那就无法定位该对象是否应该被回收（A依赖B，B依赖A）

面试官：嗯…

候选者：另一种就是可达性分析法：它从「GC Roots」开始向下搜索，当对象到「GC Roots」都没有任何引用相连时，说明对象是不可用的，可以被回收

候选者：「GC Roots」是一组必须「活跃」的引用。从「GC Root」出发，程序通过直接引用或者间接引用，能够找到可能正在被使用的对象

面试官：还是不太懂，那「GC Roots」一般是什么？你说它是一组活跃的引用，能不能举个例子，太抽象了。

候选者：比如我们上次不是聊到JVM内存结构中的虚拟机栈吗，虚拟机栈里不是有栈帧吗，栈帧不是有局部变量吗？局部变量不就存储着引用嘛。

候选者：那如果栈帧位于虚拟机栈的栈顶，是不是就可以说明这个栈帧是活跃的（换言之，是线程正在被调用的）

候选者：既然是线程正在调用的，那栈帧里的指向「堆」的对象引用，是不是一定是「活跃」的引用？

候选者：所以，当前活跃的栈帧指向堆里的对象引用就可以是「GC Roots」

面试官：嗯…

候选者：当然了，能作为「GC Roots」也不单单只有上面那一小块

候选者：比如类的静态变量引用是「GC Roots」，被「Java本地方法」所引用的对象也是「GC Roots」等等…

候选者：回到理解的重点：「GC Roots」是一组必须「活跃」的「引用」，只要跟「GC Roots」没有直接或者间接引用相连，那就是垃圾

候选者：JVM用的就是「可达性分析算法」来判断对象是否垃圾

面试官：懂了

候选者：垃圾回收的第一步就是「标记」，标记哪些没有被「GC Roots」引用的对象

候选者：标记完之后，我们就可以选择直接「清除」，只要不被「GC Roots」关联的，都可以干掉

候选者：过程非常简单粗暴，但也存在很明显的问题

候选者：直接清除会有「内存碎片」的问题：可能我有10M的空余内存，但程序申请9M内存空间却申请不下来（10M的内存空间是垃圾清除后的，不连续的）

候选者：那解决「内存碎片」的问题也比较简单粗暴，「标记」完，不直接「清除」。

候选者：我把「标记」存活的对象「复制」到另一块空间，复制完了之后，直接把原有的整块空间给干掉！这样就没有内存碎片的问题了

候选者：这种做法缺点又很明显：内存利用率低，得有一块新的区域给我复制(移动)过去

面试官：嗯…

候选者：还有一种「折中」的办法，我未必要有一块「大的完整空间」才能解决内存碎片的问题，我只要能在「当前区域」内进行移动

候选者：把存活的对象移到一边，把垃圾移到一边，那再将垃圾一起删除掉，不就没有内存碎片了嘛

候选者：这种专业的术语就叫做「整理」

候选者：扯了这么久，我们把思维再次回到「堆」中吧

候选者：经过研究表明：大部分对象的生命周期都很短，而只有少部分对象可能会存活很长时间

候选者：又由于「垃圾回收」是会导致「stop the world」（应用停止访问）

候选者：理解「stop the world」应该很简单吧：回收垃圾的时候，程序是有短暂的时间不能正常继续运作啊。不然JVM在回收的时候，用户线程还继续分配修改引用，JVM怎么搞（：

候选者：为了使「stop the world」持续的时间尽可能短以及提高并发式GC所能应付的内存分配速率

候选者：在很多的垃圾收集器上都会在「物理」或者「逻辑」上，把这两类对象进行区分，死得快的对象所占的区域叫做「年轻代」，活得久的对象所占的区域叫做「老年代」

候选者：但也不是所有的「垃圾收集器」都会有，只不过我们现在线上用的可能都是JDK8，JDK8及以下所使用到的垃圾收集器都是有「分代」概念的。

候选者：所以，你可以看到我的「堆」是画了「年轻代」和「老年代」

候选者：要值得注意的是，高版本所使用的垃圾收集器的ZGC是没有分代的概念的（：

候选者：只不过我为了好说明现状，ZGC的话有空我们再聊

面试官：嗯…好吧

候选者：在前面更前面提到了垃圾回收的过程，其实就对应着几种「垃圾回收算法」，分别是：

候选者：标记清除算法、标记复制算法和标记整理算法【「标记」「清除」「复制」「整理」】

候选者：经过上面的铺垫之后，这几种算法应该还是比较好理解的

候选者：「分代」和「垃圾回收算法」都搞明白了之后，我们就可以看下在JDK8生产环境及以下常见的垃圾回收器了

候选者：「年轻代」的垃圾收集器有：Seria、Parallel Scavenge、ParNew

候选者：「老年代」的垃圾收集器有：Serial Old、Parallel Old、CMS

候选者：看着垃圾收集器有很多，其实还是非常好理解的。Serial是单线程的，Parallel是多线程

候选者：这些垃圾收集器实际上就是「实现了」垃圾回收算法（标记复制、标记整理以及标记清除算法）

候选者：CMS是「JDK8之前」是比较新的垃圾收集器，它的特点是能够尽可能减少「stop the world」时间。在垃圾回收时让用户线程和 GC 线程能够并发执行！

候选者：又可以发现的是，「年轻代」的垃圾收集器使用的都是「标记复制算法」

候选者：所以在「堆内存」划分中，将年轻代划分出Survivor区（Survivor From 和Survivor To），目的就是为了有一块完整的内存空间供垃圾回收器进行拷贝(移动)

候选者：而新的对象则放入Eden区

候选者：我下面重新画下「堆内存」的图，因为它们的大小是有默认的比例的

候选者：图我已经画好了，应该就不用我再说明了

面试官：我还想问问，就是，新创建的对象一般是在「新生代」嘛，那在什么时候会到「老年代」中呢？

候选者：嗯，我认为简单可以分为两种情况：

候选者：1. 如果对象太大了，就会直接进入老年代（对象创建时就很大 || Survivor区没办法存下该对象）

候选者：2. 如果对象太老了，那就会晋升至老年代（每发生一次Minor GC ，存活的对象年龄+1，达到默认值15则晋升老年代 || 动态对象年龄判定 可以进入老年代）

面试官：既然你又提到了Minor GC，那Minor GC 什么时候会触发呢？

候选者：当Eden区空间不足时，就会触发Minor GC

面试官：Minor GC 在我的理解就是「年轻代」的GC，你前面又提到了「GC Roots」嘛

面试官：那在「年轻代」GC的时候，从GC Roots出发，那不也会扫描到「老年代」的对象吗？那那那…不就相当于全堆扫描吗？

候选者：这JVM里也有解决办法的。

候选者：HotSpot 虚拟机「老的GC」（G1以下）是要求整个GC堆在连续的地址空间上。

候选者：所以会有一条分界线（一侧是老年代，另一侧是年轻代），所以可以通过「地址」就可以判断对象在哪个分代上

候选者：当做Minor GC的时候，从GC Roots出发，如果发现「老年代」的对象，那就不往下走了（Minor GC对老年代的区域毫无兴趣）

面试官：但又有个问题，那如果「年轻代」的对象被「老年代」引用了呢？（老年代对象持有年轻代对象的引用），那时候肯定是不能回收掉「年轻代」的对象的。

候选者：HotSpot虚拟机下 有「card table」（卡表）来避免全局扫描「老年代」对象

候选者：「堆内存」的每一小块区域形成「卡页」，卡表实际上就是卡页的集合。当判断一个卡页中有存在对象的跨代引用时，将这个页标记为「脏页」

候选者：那知道了「卡表」之后，就很好办了。每次Minor GC 的时候只需要去「卡表」找到「脏页」，找到后加入至GC Root，而不用去遍历整个「老年代」的对象了。

面试官：嗯嗯嗯，还可以的啊，要不继续聊聊CMS？

候选者：这面试快一个小时了吧，我图也画了这么多了。下次？下次吧？有点儿累了

本文总结：

• 什么是垃圾：只要对象不再被使用，那即是垃圾
• 如何判断为垃圾：可达性分析算法和引用计算算法，JVM使用的是可达性分析算法
• 什么是GC Roots：GC Roots是一组必须活跃的引用，跟GC Roots无关联的引用即是垃圾，可被回收
• 常见的垃圾回收算法：标记清除、标记复制、标记整理
• 为什么需要分代：大部分对象都死得早，只有少部分对象会存活很长时间。在堆内存上都会在物理或逻辑上进行分代，为了使「stop the world」持续的时间尽可能短以及提高并发式GC所能应付的内存分配速率。
• Minor GC：当Eden区满了则触发，从GC Roots往下遍历，年轻代GC不关心老年代对象
• 什么是card table【卡表】：空间换时间（类似bitmap），能够避免扫描老年代的所有对应进而顺利进行Minor GC （案例：老年代对象持有年轻代对象引用）
• 堆内存占比：年轻代占堆内存1/3，老年代占堆内存2/3。Eden区占年轻代8/10，Survivor区占年轻代2/10（其中From 和To 各站1/10)

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