GC的回收算法

基本概念

JVM中GC（Garbage Collector）的回收最常見的四種基本算法：Mark-Sweep（標記-清除），Copying（複製），Mark-Compact（標記-整理），Generational Collection（分代收集)（其實還有火車算法，但因爲很少使用在這裏就不進行討論)。這裏所列出的算法是有先後順序的，每一個算法是前面算法的優化。

其實在這一節不僅僅是要掌握GC常用的算法，還要理解是根據具體的儲存結構特點選擇使用適當的算法的思想。例如：在Java堆一部分區域會根據“新生代“和”老年代”一部分會採用複製算法，另一部分採用標記-清除算法。

下面是GC中常見的名詞性解釋：

• collector：回收器（用於回收不在需要的內存）

• mutator：更改器（對內存進行 分配，讀取，寫入）

• Roots：根對象（可以由此處逐一訪問Java堆上的所有對象）

• 可達對象：在根對象上進行遍歷，可被訪問的對象實例

  狀態
  可用不可達	易造成內存泄漏
  不可用不可達	回收的內容
  可用可達	正常

GC的原理：當一個對象實例的引用計數爲0（引用計數法）或者是沒能和Roots構成引用鏈的 即Roots根對象沒能遍歷到的對象（可達性分析法），則可能被GC進行回收。

本文是基於可達性分析法後的GC回收處理

根對象（Roots）

什麼是根對象？

• 虛擬機棧的局部變量表引用的對象
• 方法區的類變量與常量引用的對象（JDK1.8後變成Java元數據區的類變量與常量引用的對象）
• 本地方法棧中JNI引用的對象

若不能和Roots對象構成引用鏈，那麼該內存區域將會被回收

標記

標記在GC中是一個很重要的概念，它是確認哪部分內存需要回收的唯一標識，所以在可達性分析法下的垃圾回收算法中都需要用到。

實際上，JVM在回收前對目標會做兩次標記。

流程如下：

1.第一次標記：對沒能和Roots構成引用鏈的對象進行標記，劃入可回收集合

2.對標記成員進行篩選

​ 2.1 覆蓋或者未調用過finalize()方法的成員，會進入需要執行finalize()方法的隊列中

​ 2.2 對未覆蓋或者已經調用過finalize()方法的成員，已經是可回收狀態了

3.第二次標記：對隊列中的成員進行篩選

​ 3.1 執行完finalize()方法，便可以回收了

​ 3.2 若在執行finalize()方法過程中，與Roots對象又構成引用鏈，則該對象實例會被移出可回收集合。

下面開始討論幾種回收算法

Mark-Sweep算法（標記-清除 算法）

標記-清除算法是其他GC算法的基礎，它提出了一種在可達性分析後進行回收的方式。

1.標記：在遍歷Roots對象後，找到未能和Roots對象構成引用鏈的對象進行標記（兩次標記）

2.清除：兩次標記後，仍在可回收集合中的對象將被清除

優點：實現較簡單，開銷小

缺點：垃圾回收後，因爲沒有對空間進行整理，導致內存不連續變得碎片化。在這種情況下，如果需要分配一個較大的內存區域，可能會因沒有空間而導致OOM

Copying算法（複製算法）

複製算法是爲解決GC回收後內存碎片化而產生的。

調用後的過程如下：

1.將內存區域劃分爲兩個區域，每次使用一個區域（區域大小非1：1）

2.在進行標記-清除算法後，將仍然存活的對象逐一複製到另一部分內存上

3.清除另一部分的內存

優點: 解決了標記-清除方式的內存不連續問題

缺點:
1.空間複雜度高

​ 2.隨着對象存活率的升高，而時間複雜度變高

改良後的算法：針對新生代存活率低的特點，使用複製算法在這一區域上，並且使得複製算法的內存區域不用按照1:1分配。詳見下面的分代收集算法

Mark-Compact（標記-整理算法）

標記-整理算法解決了複製算法隨着對象存活率升高，時間複雜度變高的缺點。

調用後的過程如下：

1.執行標記-清除算法

2.將存活對象往一側移動，並且清理邊界外的內存區域

優點： 不會因爲存活率變高，而效率降低

缺點： 時間複雜度較高

Generational Collection（分代收集算法）

• 目前幾乎所有商業虛擬機均採用了分代收集算法

• 在（JDK1.8）JVM中，內存分成三個區域：新生代，老年代，元數據區（原是永久代）

• 分代收集算法是基於複製算法和標記-整理算法的特點改良後的算法，專門針對新生代與老年代的特點進行設計。

新生代

作用： 存放新生的對象

特點： 創建對象頻繁，但存活率低。老年代可作爲空間不足時的備用內存使用。

內存結構簡易圖：

• 分成三個區域： Eden、ServivorFrom、ServivorTo

  Eden區：每次創建對象分配空間的區域（但是如果對象所佔空間太大，也可能會在老年區分配）

  ServivorFrom區：存放上次GC回收後，存活的對象

  ServivorTo區：存放當前GC回收後，存活的對象（進入該區域的對象年齡會+1）

  ​

GC回收算法： 複製算法

• GC方式：MinorGC

• 1.每次創建對象會在Eden中分配空間，若Eden空間不足，則調用MinorGC進行回收。

  2.將Eden區和ServivorFrom區進行標記，接着將存活對象複製到ServivorTo區上

  3.存活的對象滿足年齡條件或者ServivorTo空間不足時，會將對象複製到老年代區域

  4.清除Eden區和ServivorFrom區

  5.交換ServivorFrom區域和ServivorTo區域，…執行1…

  ​
  

老年代

作用： 存放生命週期長的對象

特點： 存活率高，沒有備用空間

內存結構簡易圖：

GC回收算法： 標記-整理

• GC方式：MajorGC
• 僅在調用MinorGC後，有對象從新生代進入老年代時，纔會調用MajorGC
• 該區域的GC回收，通常會使用標記-整理，而不是標記-清理（減少碎片化）
• 該區域若空間不足以分給，會拋出OutOfMemory錯誤