Java虚拟机03——垃圾收集算法

Posted 2021-04-30 爪哇技术精选

这里简要介绍几种垃圾收集算法的思想

标记 - 清除算法

该算法如同它的名字一样，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

• 在标记完后统一回收所有被标记的对象

这个算法其实已经过时了，但是后续的算法都是基于这种思路来的。它主要的不足点有两个：

1. 效率问题。标记和清理两个过程的效率都不高

2. 空间问题。标记清除后会产生大量不连续的内存碎片，空间碎片太对会导致程序运行过程中需要分配大对象时，无法找到连续的内存而不得不提前触发另一次垃圾收集动作

复制算法

复制算法的流程如下：

• 它将可用内存按容量大小划分为大小相等的两块，每次只使用其中一块。

• 当这块的内存用完了，就将还存活着的对象复制到另一块上面，

• 然后把使用过的内存空间一次性清理掉。

可以看到每次只对一半区域进行收集，这样就不用考虑内存碎片等复杂情况了，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。但是这种算法的代价是将内存缩小为原来的一半,内存成本高

复制算法一般用于收集新生代，因为新生代大部分的对象的存活时间很短，因此新生代中存活的对象远远少于垃圾对象。

新生代：存放年轻对象的堆空间。年轻对象是指刚刚创建，或者经历垃圾回收次数不多的对象。
老年代：存放老年对象的堆空间。老年对象指经历过多次垃圾回收依然存活的对象。

在商业虚拟机中，例如我们常见的HotSpot虚拟机，将新生代分为一个Eden区和两个Survivor区，Eden区与Survivor区的大小比例是8:1，也即是说Eden区占新生代的80%，两个Survivor分别占10%。新生代的复制算法执行规则如下：

• 每次使用复制算法进行垃圾回收时，会将Eden区和其中一块Survivor区的所有存活对象复制到另一块空闲Survivor区中，在复制操作中，大对象和老年对象将直接复制到老年代；

• 然后将原来的Eden区和Survivor区的对象一次性清理掉；

• 如果在执行复制算法时一块空闲Survivor区域不能够容纳原来的Eden区和Survivor区的对象，就需要依赖老年代，将多余的对象直接复制到老年代。

可以发现，这种复制机制保证只有一块Survivor区的内存（仅占新生代内存的10%）是被浪费的。新生代的复制算法示意图如下：

标记 - 整理算法

在对象存活率较低的新生代使用复制算法效率高。那么在对象存活率高的老年代，使用复制算法效率将会变得很低。根据老年代的特点，有人提出了“标记 - 整理”算法。算法流程如下：

• 首先标记出所有需要回收的对象

• 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

分代收集算法

当前商业虚拟机的垃圾收集算法都采用“分代收集算法”。主要思想是根据对象存活周期的不同将内存划分为几块，并采用最适合的收集算法。

• 在大批对象死去，少量存活的新生代中，采用复制算法

• 在对象存活率高、没有额外空间对它进行分配担保，采用“标记 - 清理”或“标记 - 整理”算法。

OopMap、Safe Point和Safe Region

上面介绍了几种垃圾收集算法，但是虚拟机（这里以HotSpot为例子）在发起内存回收的时候会遇到很多问题。因此诞生了OopMap、Safe Point和Safe Region来解决

OopMap

问题：

• GC Roots的节点主要在全局性的引用（例如常量或类静态属性）与执行上下文（例如栈帧中的本地变量表）中，但是现在引用众多，如果要逐个检查这里面的引用，那么必然会消耗很多时间。

• 另外，可达性分析对执行时间的敏感还体现在GC停顿上，因为这项分析工作必须在一个能确保一致性的快照中进行————这里“一致性”是指分析过程中不可以出现引用关系还在不断变化的情况，因此GC进行时必须停顿所有的Java执行线程

解决： 在HotSpot的实现中，使用一组成为OopMap的数据结构。

• 在类加载完成的时候，就把对象内什么偏移量上是什么类型的数据计算出来

• 在JIT编译过程中，也会在特定位置记录下栈和寄存器中哪些位置是引用

这样，GC在扫描时就可以直接得知这些信息了。

Safe Point

在OopMap的协助下，HotSpot可以快速且准确地完成GC Roots枚举，但一个很现实的问题随之而来：

• OopMap内容变化的指令过多导致需要大量额外空间的问题

解决：

• HotSpot没有为每条指令都生成OopMap，只是在“特定的位置”记录了这些信息，这些位置称为安全点（Safe Point），即程序执行时只有在到达Safe Point时才能更新自己的OopMap。

对于Safe Point，另一个需要考虑的问题是如何在GC发生时让所有线程（这里不包括执行JNI调用的线程）都运行到最近的安全点上再停顿下来。这里有两种方案可供选择：抢先式中断（Preemptive Suspension）和主动式中断（Voluntary Suspension）：

• 抢先式中断。不需要线程的执行代码主动去配合，在GC发生时，首先把所有线程全部中断，如果发现有线程中断的地方不在安全点上，就恢复线程，让它继续运行到安全点上。现在几乎没有虚拟机实现采用抢先式中断来暂停线程从而响应GC事件。

• 主动式中断。当GC需要中断线程的时候，不直接对线程操作，仅仅简单地设置一个标志，各个线程执行时主动去轮询这个标志，发现中断标志为真时就自己中断挂起。轮询标志的地方和安全点是重合的，另外再加上创建对象需要分配内存的地方。

Safe Region

Safe Point机制保证了程序执行时，在不太长的时间内就会遇到可进入GC的Safe Point。 问题：

• 但是当线程没有分配CPU时间（如线程处于Sleep状态或者Blocked状态），这时候线程无法响应JVM的中断请求以继续到安全的地方去中断挂起，JVM也显然不太可能等待线程重新被分配CPU时间。对于这种情况，就需要安全区域（Safe Region）来解决。

安全区域是指在一段代码片段之中，引用关系不会发生变化。在这个区域中的任意地方开始GC都是安全的。我们也可以把Safe Region看做是被扩展了的Safepoint。

在线程执行到Safe Region中的代码时，首先标识自己已经进入了Safe Region，当在这段时间里JVM要发起GC时，就不用管标识自己为Safe Region状态的线程了。在线程要离开Safe Region时，它要检查系统是否已经完成了根节点枚举（或者是整个GC过程），如果完成了，那线程就继续执行，否则它就必须等待直到收到可以安全离开Safe Region的信号为止。