【JVM原理】垃圾回收机制(2)--垃圾收集算法

ゝ一纸荒年。 2022-05-21 12:58 372阅读 0赞

# 前言 #

Github：[https://github.com/yihonglei/jdk-source-code-reading][https_github.com_yihonglei_jdk-source-code-reading]（java-jvm）

[JVM内存结构][JVM]

[JVM类加载机制][JVM 1]

[JVM内存溢出分析][JVM 2]

[HotSpot对象创建、内存、访问][HotSpot]

[JVM垃圾回收机制(1)--如何判定对象可以回收][JVM_1_--]

[JVM垃圾回收机制(2)--垃圾收集算法][JVM_2_--]

[JVM垃圾回收机制(3)--垃圾收集器][JVM_3_--]

[JVM垃圾回收机制(4)--内存分配和回收策略][JVM_4_--]

**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。![70][]

## **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。

![70 1][]

## **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:

![70 2][]

## **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：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3lobF9qeHk_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

## **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；**

[https_github.com_yihonglei_jdk-source-code-reading]: https://github.com/yihonglei/jdk-source-code-reading
[JVM]: https://blog.csdn.net/yhl_jxy/article/details/80882595
[JVM 1]: https://blog.csdn.net/yhl_jxy/article/details/81295635
[JVM 2]: https://blog.csdn.net/yhl_jxy/article/details/80946511
[HotSpot]: https://blog.csdn.net/yhl_jxy/article/details/80893288
[JVM_1_--]: https://blog.csdn.net/yhl_jxy/article/details/80950336
[JVM_2_--]: https://blog.csdn.net/yhl_jxy/article/details/80953776
[JVM_3_--]: https://blog.csdn.net/yhl_jxy/article/details/80956479
[JVM_4_--]: https://blog.csdn.net/yhl_jxy/article/details/80968456
[70]: /images/20220521/593e1dc89ff64d149e4590a2ca88518a.png
[70 1]: /images/20220521/6da379644572456d95d0c213b60775fd.png
[70 2]: /images/20220521/de23c20917a74cd980153b490c65f7b5.png
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