JVM之内存回收算法

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前言

本篇主要介绍JVM内存回收算法，理论内容都节选自《深入理解java虚拟机》这本书，它是下一篇JVM垃圾回收器的基石。

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一、分代收集

1.分代收集理论

分代收集理论分别是：

1. 弱分代假说，绝大多数对象都是朝生夕死；
2. 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；
3. 跨代引用说，跨代引用相对于同代引用来说仅占极少数。

其中上述前2个假说共同奠定了常用垃圾收集器的一致设计原则：收集器应该将java堆划分不同区域，按照对象的年龄分配到不同区域存储，针对不同区域使用不同回收算法。
而跨代引用说解决了存活算法效率问题，即 可达性分析算法对于少量跨代引用不去跨代扫描整个区域。而是使用全局数据结构remember set来管理这些少量跨代引用的对象。

2.垃圾收集

由于分代收集理论常用的垃圾回收器都会将java堆分为多个区域（新时代和老年代），则针对不同区域会有不同的垃圾收集，常见如下：

1. Minor GC 新生代收集，目标只是新生代的垃圾收集；
2. Major GC 老年代收集，目标是老年代的垃圾收集；
3. Full GC 收集整个java堆和方法区的垃圾收集；
4. Mixed GC 收集整个新生代以及部分老年代的垃圾收集，仅G1支持。

二、垃圾收集算法

1. 标记-清除算法

最早出现也是最基础的垃圾收集算法，后续所有的垃圾收集算法都是基于它的，是用于在老年代的垃圾回收算法，常见如CMS垃圾回收器(低延迟)。
算法原理：

1. 标记，标记出所有需要回收的对象；
2. 清除，统一回收掉所有标记的对象。

代价：对大量可回收对象时执行效率低；会产生大量的内存空间碎片。

2. 复制算法

主要是为了解决标记清除算法对大量可回收对象执行效率低的问题，它适合用于新时代收集算法（对象朝生夕死特性）。
算法原理：

1. 将可用内存按容量划分为大小相等的2块；
2. 将还存活对象复制到另一个空间上；
3. 将之前使用过的内存空间一次清理掉

代价：空间浪费，将可用的空间缩小为原来一半；如果存活对象比较多的或比较大，复制效率就比较低。

3. 标记-整理算法

主要解决标记清除算法内存碎片化的问题，它适合老年代对象回收特性（长期存活对象），如Parallel Old垃圾收集器（吞吐量）。
算法原理：

1. 标记，标记需要回收对象;
2. 整理，让存活对象都向内存另一端移动;
3. 清理，直接清理边界以外的内存.

代价：收集花费时间相对于标记清除算法会慢一些。

三、并发的可达性分析

1. 作用

根据 可达性分析算法 的核心概念，利用系列根对象（GC Roots ）作为起始点，根据对象之间的引用关系搜索出一条引用链，通过遍历引用链来判断对象的是否存活。
在这个过程中，根对象枚举的时间非常短暂且相对固定，然而，遍历所有引用链（对象图）所需要的时间与对象的数量成正比。因此，对象越多，对象之间的引用关系就越复杂，需要更多的时间去遍历所有的引用链来标记所有的对象。
为了解决以上问题就有了并发标记，它的作用就是让垃圾回收线程和用户线程能够同时进行，并发执行。具体看下面的三色标记。

2. 三色标记

1. 白色：表示对象尚未被垃圾收集器访问过。显然在可达性分析刚刚开始的阶段，所有的对象都是 白色的，若在分析结束的阶段，仍然是白色的对象，即代表不可达。
2. 黑色：表示对象已经被垃圾收集器访问过，且这个对象的所有引用都已经扫描过。黑色的对象代 表已经扫描过，它是安全存活的，如果有其他对象引用指向了黑色对象，无须重新扫描一遍。黑色对 象不可能直接（不经过灰色对象）指向某个白色对象。
3. 灰色：表示对象已经被垃圾收集器访问过，但这个对象上至少存在一个引用还没有被扫描过，也就是还可以继续扫描。

三色标记问题

当且仅当以下两个条件同时满足时，会产生“对象消失”的问 题，即原本应该是黑色的对象被误标为白色：

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

解决方案
增量更新要破坏的是第一个条件，当黑色对象插入新的指向白色对象的引用关系时，就将这个新 插入的引用记录下来，等并发扫描结束之后，再将这些记录过的引用关系中的黑色对象为根，重新扫 描一次。这可以简化理解为，黑色对象一旦新插入了指向白色对象的引用之后，它就变回灰色对象 了。

原始快照要破坏的是第二个条件，当灰色对象要删除指向白色对象的引用关系时，就将这个要删 除的引用记录下来，在并发扫描结束之后，再将这些记录过的引用关系中的灰色对象为根，重新扫描 一次。这也可以简化理解为，无论引用关系删除与否，都会按照刚刚开始扫描那一刻的对象图快照来 进行搜索。