JVM垃圾回收机制(2)--垃圾收集算法

前言

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JVM内存结构

JVM类加载机制

JVM内存溢出分析

HotSpot对象创建、内存、访问

JVM垃圾回收机制(1)--如何判定对象可以回收

JVM垃圾回收机制(2)--垃圾收集算法

JVM垃圾回收机制(3)--垃圾收集器

JVM垃圾回收机制(4)--内存分配和回收策略

这里主要分析"标记-清除"算法、"复制"算法、"标记-整理"算法、"分代收集"算法的思想、优缺点和应用场景。

一 标记-清除算法

1、算法思路

    "标记-清除"（Mark-Sweep）算法是最基础的收集算法，之所以叫做最基础的收集算法，是因为很多收集算法都是

基于这种该算法思想对其不足进行改进得到的。顾名思义，"标记-清除"算法分为"标记"和"清除"两个阶段实现。

1）标记

    首先标记出所有需要回收的对象，要宣告一个对象死亡，至少要经历两次标记过程。

    第一次标记

    如果对象在进行可达性分析后发现没有与GC Roots相连接的引用链，那它将会被第一次标记

并且进行一次筛选，筛选的条件是此对象是否有必要执行finalize()方法。当对象没有覆盖finalize()方法，

或者finalize()方法已经被虚拟机调用过，虚拟机将这两种情况都视为"没有必要执行"。

    如果这个对象被判定为有必要执行finalize()方法，那么这个对象将会被放置在一个叫做F-Queue的

队列中，并在稍后由一个虚拟机自动建立的、低优先级的Finalizer线程去触发这个方法。

    第二次标记

    GC将对F-Queue队列中的对象进行第二次小规模标记；finalize()方法是对象逃脱死亡的最后一次机会：

如果对象在其finalize()方法中重新与引用链上任何一个对象建立关联，第二次标记时会将其移出"即将回收"的集合；

如果对象没有，也可以认为对象已死，可以回收了；

2）清除

    两次标记后，还在"即将回收"集合的对象将被统一回收；

    回收执行示意图

    

2、算法优点

    实现简单。

3、算法缺点

    该算法主要有两个缺陷，一个是效率问题，另外一个空间问题。

1）效率问题

    标记和清除两个过程的效率都不高。

2）空间问题

      标记清除之后会产生大量的不连续的内存碎片，空间碎片太多可能导致以后在程序运行过程中需要分配

较大对象时，无法找到足够的连续内存而不得不提前触发另外一次垃圾收集动作。

4、算法应用场景

    针对CMS收集器使用。

二 复制算法

    "复制"(Copying)算法的出现，是为了解决"标记-清除"算法的效率问题。

1、算法思路

    1）将可用内存按照容量划分为大小相等的两块，每次只使用其中一块。

    2）当一块内存用完后，就将还存活着的对象复制到另外一块上面，然后再把已使用多的内存空间一次清掉。

        这样使得每次都对整个半区进行内存回收，内存分配时也就不用考虑内存碎片等复杂情况，只要移动堆顶

        指针，按顺序分配内存即可，实现简单，运行高效。

     复制算法示意图

     

2、算法优点

    不会产生内存碎片，内存分配实现简单，高效。

3、算法缺点

    1）空间浪费

      可用内存缩减为原来的一半，太过浪费（解决：可以改良，不按1:1比例划分）；

    2）效率随对象存活率升高而变低

    当对象存活率较高时，需要进行较多复制操作，效率将会变低；

4、算法应用场景

    现在商业虚拟机都采用这种收集算法来回收新生代，用该算法的垃圾收集器比较多，

如Serial收集器、ParNew收集器、Parallel Scavenge收集器、G1（从局部看）。

5、HotSpot对空间浪费的改良算法

    1）弱代理论

    分代垃圾收集基于弱代理论（weak generational hypothesis），具体描述如下：

    .大多数分配了内存的对象并不会存活太长时间，在处于年轻代时就会死掉；

    .很少有对象会从老年代变成年轻代；

    IBM研究表明：新生代中98%的对象都是"朝生夕死"，所以不需要按照1:1的比例来划分内存空间；

    2）HotSpot虚拟机新生代内存布局及算法

    .将新生代内存分为一块较大的Eden空间和两块较小的Survivor空间；

    .每次使用Eden和其中一块Survivor；

    .当回收时，将Eden和使用中的Survivor中还存活的对象一次性复制到另外一块Survivor；

    .而后清理掉Eden和使用过的Survivor空间；

    .然后就就接着使用Eden和那一块Survivor空间，每次重复回收时逻辑；

    注意：HotSpot默认虚默认Eden和Survivor的大小比例是8:1，也就是每次新生代中可用内存空间为整个

新生代容量的90%（Eden 80% + 一个Survivor 10%），只有10%的内存会被"浪费"掉。

    3）分配担保

    如果另一块Survivor空间没有足够空间存放上一次新生代收集下来的存活对象时，

这些对象将直接通过分配担保机制（Handle Promotion）进入老年代；

三 标记-整理算法

    复制收集算法在对象存活率较高时就要进行较多的复制操作，效率会降低。更关键的是，如果不想浪费50%

的空间，就需要额外的空间进行分配担保，以应对被使用的内存中所有对象都100%存活的极端情况，所以在

老年代一般不直接选用这种算法。

1、算法思路

    "标记-整理"（Mark-Compact）算法的标记过程仍然与"标记-清除"算法一样，但后续步骤不是直接对回收对象进

行清理，而是让所有存活的对象都向一端移动，然后清理掉端边界以外的内存，"标记-整理"算法的执行示意图如下:

    

2、算法优点

1）不会像复制算法，效率随对象存活率升高而变低。

老年代特点：

对象存活率高，没有额外的空间可以分配担保；所以老年代一般不能直接选用复制算法；而选用标记-整理算法；

2）不会像标记-清除算法，产生内存碎片因为清除前，进行了整理，存活对象都集中到空间一侧；

3、算法缺点

    主要是效率问题：除像标记-清除算法的标记过程外，还多了需要整理的过程，效率更低；

4、算法应用场景

    很多垃圾收集器采用这种算法来回收老年代；如Serial Old收集器、G1（从整体看）；

四 分代收集算法

    "分代收集"（Generational Collection）算法结合不同的收集算法处理不同区域。

1、算法思路

    当前虚拟机的垃圾收集都采用"分代收集"算法，这种算法并没有什么新的思想，只是根据对象的

存活申请周期的不同将内存划分为几块，这样就可以根据各个年代的特点采用最适当的收集算法。

java堆分为新生代和老年代。

    1）新生代

     在新生代中，每次垃圾收集都发现有大批量对象死去，只有少量存活，就选用复制算法，

只需要付出少量的存活对象的复制成本就可以完成收集。

    2）老年代

    在老年代中对象存活率高、没有额外空间对它进行分配担保，就必须使用"标记-清除"或"标记-整理"算法

来进行回收。

 HotSpot虚拟机对新生代和老年代一般的内存划分示意图：

 

2、算法优点

可以根据各个年代的特点采用最适当的收集算法；

3、算法缺点

仍然不能控制每次垃圾收集的时间；

4、算法应用场景

    目前几乎所有商业虚拟机的垃圾收集器都采用分代收集算法；如HotSpot虚拟机中全部垃圾收集器：

Serial、ParNew、Parallel Scavenge、Serial Old、Parallel Old、CMS、G1（也保留）；

参考文献

《深入理解Java虚拟机》 (第二版) 周志明 著；