JVM内存管理------GC算法精解

缺乏、安全感 2022-05-25 05:11 180阅读 0赞

# [JVM内存管理------GC算法精解（复制算法与标记/整理算法）][JVM_------GC] #

本次LZ和各位分享GC最后两种算法，复制算法以及标记/整理算法。上一章在讲解标记/清除算法时已经提到过，这两种算法都是在此基础上演化而来的，究竟这两种算法优化了之前标记/清除算法的哪些问题呢？

## 复制算法 ##

我们首先一起来看一下复制算法的做法，**复制算法将内存划分为两个区间，在任意时间点，所有动态分配的对象都只能分配在其中一个区间（称为活动区间），而另外一个区间（称为空闲区间）则是空闲的**。

当有效内存空间耗尽时，JVM将暂停程序运行，开启复制算法GC线程。**接下来GC线程会将活动区间内的存活对象，全部复制到空闲区间，且严格按照内存地址依次排列，与此同时，GC线程将更新存活对象的内存引用地址指向新的内存地址**。

此时，空闲区间已经与活动区间交换，而垃圾对象现在已经全部留在了原来的活动区间，也就是现在的空闲区间。事实上，在活动区间转换为空间区间的同时，垃圾对象已经被一次性全部回收。

听起来复杂吗？

其实一点也不复杂，有了上一章的基础，相信各位理解这个算法不会费太多力气。LZ给各位绘制一幅图来说明问题，如下所示。

![20004315-b6d8b69879b94b518e98b5854b12f0f1.jpg][]

其实这个图依然是上一章的例子，只不过此时内存被复制算法分成了两部分，下面我们看下当复制算法的GC线程处理之后，两个区域会变成什么样子，如下所示。

![20004628-0ff08e1b8cd04e448703b01f0461e266.jpg][]

可以看到，1和4号对象被清除了，而2、3、5、6号对象则是规则的排列在刚才的空闲区间，也就是现在的活动区间之内。此时左半部分已经变成了空闲区间，不难想象，在下一次GC之后，左边将会再次变成活动区间。

很明显，**复制算法弥补了标记/清除算法中，内存布局混乱的缺点**。不过与此同时，它的缺点也是相当明显的。

1、**它浪费了一半的内存**，这太要命了。

2、如果对象的存活率很高，我们可以极端一点，假设是100%存活，那么我们需要将所有对象都复制一遍，并将所有引用地址重置一遍。**复制这一工作所花费的时间，在对象存活率达到一定程度时，将会变的不可忽视**。

所以从以上描述不难看出，**复制算法要想使用，最起码对象的存活率要非常低才行，而且最重要的是，我们必须要克服50%内存的浪费**。

## 标记/整理算法 ##

标记/整理算法与标记/清除算法非常相似，它也是分为两个阶段：**标记和整理**。下面LZ给各位介绍一下这两个阶段都做了什么。

**标记：它的第一个阶段与标记/清除算法是一模一样的，均是遍历GC Roots，然后将存活的对象标记。**

**整理：移动所有存活的对象，且按照内存地址次序依次排列，然后将末端内存地址以后的内存全部回收。因此，第二阶段才称为整理阶段。**

**       **它GC前后的图示与复制算法的图非常相似，只不过没有了活动区间和空闲区间的区别，而过程又与标记/清除算法非常相似，我们来看GC前内存中对象的状态与布局，如下图所示。

![20201708-e2248836524b42a18be06f1316b31e37.jpg][]

这张图其实与标记/清楚算法一模一样，只是LZ为了方便表示内存规则的连续排列，加了一个矩形表示内存区域。倘若此时GC线程开始工作，那么紧接着开始的就是标记阶段了。此阶段与标记/清除算法的标记阶段是一样一样的，我们看标记阶段过后对象的状态，如下图。

![20210139-2062db96ff9b49309a5fedc118689bae.jpg][]

没什么可解释的，接下来，便应该是整理阶段了。我们来看当整理阶段处理完以后，内存的布局是如何的，如下图。

![20210241-d6498896c30f4aed94443b65c476a797.jpg][]

可以看到，标记的存活对象将会被整理，按照内存地址依次排列，而未被标记的内存会被清理掉。如此一来，当我们需要给新对象分配内存时，JVM只需要持有一个内存的起始地址即可，这比维护一个空闲列表显然少了许多开销。

不难看出，**标记/整理算法不仅可以弥补标记/清除算法当中，内存区域分散的缺点，也消除了复制算法当中，内存减半的高额代价**，可谓是一举两得，一箭双雕，一石两鸟，一。。。。一女两男？

不过任何算法都会有其缺点，**标记/整理算法唯一的缺点就是效率也不高**，不仅要标记所有存活对象，还要整理所有存活对象的引用地址。从效率上来说，标记/整理算法要低于复制算法。

**算法总结**

这里LZ给各位总结一下三个算法的共同点以及它们各自的优势劣势，让各位对比一下，想必会更加清晰。

它们的共同点主要有以下两点。

**       1、三个算法都基于根搜索算法去判断一个对象是否应该被回收，而支撑根搜索算法可以正常工作的理论依据，就是语法中变量作用域的相关内容。因此，要想防止内存泄露，最根本的办法就是掌握好变量作用域，而不应该使用前面内存管理杂谈一章中所提到的C/C++式内存管理方式。**

**       2、在GC线程开启时，或者说GC过程开始时，它们都要暂停应用程序（stop the world）。**

它们的区别LZ按照下面几点来给各位展示。（>表示前者要优于后者，=表示两者效果一样）

**       效率：复制算法>标记/整理算法>标记/清除算法（此处的效率只是简单的对比时间复杂度，实际情况不一定如此）。**

**       内存整齐度：复制算法=标记/整理算法>标记/清除算法。**

**       内存利用率：标记/整理算法=标记/清除算法>复制算法。**

可以看到标记/清除算法是比较落后的算法了，但是后两种算法却是在此基础上建立的，俗话说“吃水不忘挖井人”，因此各位也莫要忘记了标记/清除这一算法前辈。而且，在某些时候，标记/清除也会有用武之地。

## 结束语 ##

到此我们已经将三个算法了解清楚了，可以看出，效率上来说，复制算法是当之无愧的老大，但是却浪费了太多内存，而为了尽量兼顾上面所提到的三个指标，标记/整理算法相对来说更平滑一些，但效率上依然不尽如人意，它比复制算法多了一个标记的阶段，又比标记/清除多了一个整理内存的过程。

难道就没有一种最优算法吗？

当然是没有的，这个世界是公平的，任何东西都有两面性，试想一下，你怎么可能找到一个又漂亮又勤快又有钱又通情达理，性格又合适，家境也合适，身高长相等等等等都合适的女人？就算你找到了，至少有一点这个女人也肯定不满足，那就是多半不会恰巧又爱上了与LZ相似的各位苦逼猿友们。你是不是想说你比LZ强太多了，那LZ只想对你说，高富帅是不会爬在电脑前看技术文章的，0.0。

但是古人就是给力，古人说了，找媳妇不一定要找最好的，而是要找最合适的，听完这句话，瞬间感觉世界美好了许多。

算法也是一样的，**没有最好的算法，只有最合适的算法**。

既然这三种算法都各有缺陷，高人们自然不会容许这种情况发生。因此，高人们提出可以根据对象的不同特性，使用不同的算法处理，类似于萝卜白菜各有所爱的原理。于是奇迹发生了，高人们终于找到了GC算法中的神级算法-----**分代搜集算法**。

至于这个神级算法是如何处理的，LZ就在下一章再和各位猿友探讨了，本次就到此为止了，希望各位有所收获。

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作者：zuoxiaolong（左潇龙）

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