【JVM】垃圾回收算法

目录

一、判断对象已“死”

1.1、引用计数算法

1.2、可达性分析算法

1.3、引用的概念

二、垃圾收集算法理论

2.1、分代收集理论

三、垃圾收集算法

3.1、标记--清除算法

 3.2、标记--复制算法

3.3、标记--整理算法

---

一、判断对象已“死”

        在堆里面存放着Java世界中几乎所有的对象实例，垃圾收集器在对堆进行回收前，第一件事情就是要确定这些对象之中哪些还“存活”着，哪些已经“死去”（“死去”即不可能再被任何途径使用的对象）了。

1.1、引用计数算法

        在对象中添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器值就加一；当引用失效时，计数器值就减一；任何时刻计数器为零的对象就是不可能再被使用的。但是主流的Java虚拟机里面都没有选用引用计数算法来管理内存。

优点：实现简单，效率高。

缺点：很难解决对象之间循环引用的问题。

1.2、可达性分析算法

        当前主流的商用程序语言（Java、C#，上溯至前面提到的古老的Lisp）的内存管理子系统，都是通过可达性分析算法来判定对象是否存活的。这个算法的基本思路就是通过一系列称为“GC Roots”的根对象作为起始节点集，从这些节点开始，根据引用关系向下搜索，搜索过程所走过的路径称为“引用链”（Reference Chain），如果某个对象到GC Roots间没有任何引用链相连，或者用图论的话来说就是从GC Roots到这个对象不可达时，则证明此对象是不可能再被使用的。

如下图3-1：

 固定可作为GC Roots的对象包括以下几种：

• 在虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象，譬如各个线程被调用的方法堆栈中使用到的参数、局部变量、临时变量等。
• 在方法区中类静态属性引用的对象，譬如Java类的引用类型静态变量。
• 在方法区中常量引用的对象，譬如字符串常量池（String Table）里的引用。
• 在本地方法栈中JNI（即通常所说的Native方法）引用的对象。
• Java虚拟机内部的引用，如基本数据类型对应的Class对象，一些常驻的异常对象（比如NullPointExcepiton、OutOfMemoryError）等，还有系统类加载器。
• 所有被同步锁（synchronized关键字）持有的对象。
• 反映Java虚拟机内部情况的JMXBean、JVMTI中注册的回调、本地代码缓存等。

1.3、引用的概念

        无论是通过引用计数算法判断对象的引用数量，还是通过可达性分析算法判断对象是否引用链可达，判定对象是否存活都和“引用”离不开关系。

        在JDK 1.2版之后，Java对引用的概念进行了扩充，将引用分为强引用（Strongly Re-ference）、软引用（Soft Reference）、弱引用（Weak Reference）和虚引用（Phantom Reference）4种，这4种引用强度依次逐渐减弱。

四种引用概念：

• 强引用：是最传统的“引用”的定义，是指在程序代码之中普遍存在的引用赋值，即类似“Objectobj=new Object()”这种引用关系。无论任何情况下，只要强引用关系还存在，垃圾收集器就永远不会回收掉被引用的对象。
• 软引用：用来描述一些还有用，但非必须的对象。在系统要发生oom，会回收所有的软引用对象，如果回收完，还是放不上这个对象，才溢出。，每次垃圾回收的时候，如果对象还没死，就不回收，但是在oom之前，不管有没有死，都会被回收。
• 弱引用：在每次垃圾回收的时候，不管有没有引用，都会被回收。
• 虚引用：相当于什么时候回收都没问题，也无法通过虚引用来取得一个对象实例。 为一个对象设置虚 引用关联的唯一目的只是为了能在这个对象被收集器回收时收到一个系统通知

二、垃圾收集算法理论

2.1、分代收集理论

        当前商业虚拟机的垃圾收集器，大多数都遵循了“分代收集” 的理论进行设计的。

分代收集假说：

• 弱分代假说：绝大多数对象都是朝生夕灭的。
• 强分代假说：熬过越多次垃圾收集过程的对象就越难以消亡。
• 跨代引用假说：跨代引用相对于同代引用来说仅占极少数。

        这两个分代假说共同奠定了多款常用的垃圾收集器的一致的设计原则：收集器应该将Java堆划分出不同的区域，然后将回收对象依据其年龄（年龄即对象熬过垃圾收集过程的次数）分配到不同的区域之中存储。

        把分代收集理论具体放到现在的商用Java虚拟机里，设计者一般至少会把Java堆划分为新生代和老年代两个区域 。顾名思义，在新生代中，每次垃圾收集时都发现有大批对象死去，而每次回收后存活的少量对象，将会逐步晋升到老年代中存放。

1、部分收集：

• 新生代收集（Minor GC/Young GC）：指目标只是新生代的垃圾收集。
• 老年代收集（Major GC/Old GC）：指目标只是老年代的垃圾收集。目前只有CMS收集器会有单独收集老年代的行为。另外请注意“Major GC”这个说法现在有点混淆，在不同资料上常有不同所指，读者需按上下文区分到底是指老年代的收集还是整堆收集。
• 混合收集（Mixed GC）：指目标是收集整个新生代以及部分老年代的垃圾收集。目前只有G1收集器会有这种行为。

2、整堆收集（Full GC）：收集整个Java堆和方法区的垃圾收集。

三、垃圾收集算法

3.1、标记--清除算法

1、概念：算法分为“标记”和“清除”两个阶段：首先标记出所有需要回收的对象，在标记完成后，统一回收掉所有被标记的对象，也可以反过来，标记存活的对象，统一回收所有未被标记的对象。

2、缺点：

• 执行效率不稳定：如果Java堆中包含大量对象，而且其中大部分是需要被回收的，这时必须进行大量标记和清除的动作，导致标记和清除两个过程的执行效率都随对象数量增长而降低；
• 内存空间的碎片化问题：标记、清除之后会产生大量不连续的内存碎片，空间碎片太多可能会导致当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一次垃圾收集动作。

 3.2、标记--复制算法

1、半区复制：将可用内存按容量划分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块。当这一块的内存用完了，就将还存活着的对象复制到另外一块上面，然后再把已使用过的内存空间一次清理掉。

优点：实现简单，运行高效。

缺点：这种复制回收算法的代价是将可用内存缩小为了原来的一半，空间浪费太多。

 2、优化算法：

        把新生代分为一块较大的Eden空间和两块较小的Survivor空间，每次分配内存只使用Eden和其中一块Survivor。发生垃圾搜集时，将Eden和Survivor中仍然存活的对象一次性复制到另外一块Survivor空间上，然后直接清理掉Eden和已用过的那块Survivor空间。HotSpot虚拟机默认Eden和Survivor的大小比例是8∶1。

3.3、标记--整理算法

        在标记--清除算法的基础上做了改良，用于解决空间碎片化问题。标记-整理(Mark-Compact)算法在标记后不是简单做清除，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。一般用于老年代。

优点：解决了空间碎片化问题，为后续内存分配和访问提高效率。

缺点：使内存回收的过程更加复杂。如果移动存活对象，尤其是在老年代这种每次回收都有大量对象存活区域，移动存活对象并更新所有引用这些对象的地方必须全程暂停用户应用程序才能进行。

        标记-整理算法主要用于老年代，移动存活对象是个极为负重的操作，而且这种操作需要 Stop The World 才能进行，只是从整体的吞吐量来考量，老年代使用标记-整理算法更加合适。