六种主要的垃圾回收算法和思想

Posted 2021-02-01 amosh

Java语言的一大特点就是可以自动进行垃圾回收处理，无需开发人员过于关注系统资源的释放情况。自动垃圾收集虽然大大减轻了开发人员的工作量，但是也增加了软件系统的负担。一个不合适的垃圾回收方法和策略将会对系统性能造成不良影响。

1. 引用计数法

引用计数法是最经典古老的一种垃圾收集方法，它的实现也很简单：对于一个对象A，只要有任何一个对象引用了A，则A的计数器就加1，当引用失效时，引用计数器就减1.只要对象A的引用计数器的值为0，则对象A就不可能再被使用。

引用计数法实现简单，只需要为每一个对象配备一个整型计数器即可。但是，它存在一个很严重的问题，即无法处理循环引用的情况，因此在Java的垃圾回收器中没有使用这种算法。

一个简单的循环引用示例如下：

对象A和对象B循环引用，此时他们的引用计数器都不为0，但是在系统中已经找不到第三个对象引用了A或者B，也就是说，A和B应该是被回收的垃圾。但是因为循环引用而无法被识别，最终可能会导致内存泄漏。

2. 标记-清除法

标记-清除法是现代垃圾回收算法的基础。

它将垃圾回收分为两个阶段：标记阶段和清除阶段。一种可行的实现是：

1. 在标记阶段，标记所有从根节点出发的可达对象。因此，所有未被标记的对象就是未被引用的垃圾对象。
2. 在清除阶段，清除所有未被标记的对象。

而标记-清除法可能产生的最大问题就是空间碎片。回收之后的空间不是连续的，不连续的内存空间的工作效率要低于连续的空间，这是标记-清除法最大的缺点。

3.复制算法

与标记-清除法相比，复制算法是一种相对高效的回收算法。

它的核心思想是：将内存分为两部分，每次只使用其中一部分。在垃圾回收时，将正在使用的内存中的存货对象复制到未使用的内存块中，之后清除正在使用的内存块中的所有对象，交换两个内存的角色，完成垃圾回收。

如果系统中的垃圾对象很多，那么复制算法需要复制的存活对象的数量也不会很多，因此当需要使用复制算法时还是比较高效的。又因为所有对象都会被统一复制到新的内存空间中，所以可以保证回收后的内存空间是没有碎片的。

虽然有以上两大有点，但是复制算法的代价缺点是将系统内存折半。因此单纯的复制算法会让人无法接受。

在Java的新生代串行垃圾回收器中，使用了复制算法。新生代分为eden空间、from空间和to空间三个部分。其中from和to空间可以视为用于复制的两块大小相同、地位相等，且角色可以互换的空间块，它们也被称为survivor空间，即幸存者空间，用于存放未被回收的对象。

在垃圾回收时，eden空间中的存活对象会被复制到未使用的survivor空间中（假设为to），正在使用的survivor空间（假设为from）中的年轻对象也会被复制到to空间中（大对象或者老年对象会直接进入老年代，如果to空间已经满了，则对象也会直接进入老年代）。此时eden和from空间中的剩余对象将都是垃圾对象，可以直接清空，to空间则存放此次回收后存活的对象。

这样改进后的复制算法既保证了空间的连续性，又避免大量内存空间被浪费。

4. 标记-压缩算法

复制算法的高效性是建立在存活对象少，垃圾对象多的前提下。这种情况普遍存在于年轻代，但是在老年代，更常见的情况是大部分对象都是存活对象，如果使用复制算法，由于存活对象多，复制的成本也会很高。

基于老年代垃圾回收的特性，需要使用新的算法，而标记-压缩算法是老年代的一种回收算法，它在标记-清除算法之上做了一些优化。

它和标记-清除算法不同之处在于：在清除阶段，它会将所有的存活对象压缩到内存的另一端。之后清理边界之外的所有空间。这种算法既避免了碎片的产生，又不需要两块相同的内存空间，因此性价比较高。

5. 增量算法

对大部分的垃圾回收算法而言，在垃圾回收的过程中，应用软件的所有线程都会挂起，暂停一切正常工作，等待来回收的完成。如果垃圾回收时间很长，则应用程序会被挂起很久，这会严重影响用户体验和系统稳定性。

增量算法的基本思想就是，让垃圾回收线程和应用线程交替执行，每次只收集一小片区域的内存空间，接着切换应用程序线程。如此往复知道垃圾回收完成。

使用这种方式进行垃圾回收可以减少系统的停顿时间，但是因为线程切换和上下文转换的消耗，会使得垃圾回收的总体成本上升，造成系统吞吐量的下降。

6.分代

前面介绍的几种垃圾回收算法没有哪一种可以完全替代其他算法，它们有各自的优点和缺点。因此，根据垃圾回收对象的特性，使用合适的算法回收，才是明智的选择。

分代就是基于这种思想，它将内存区域根据对象特点分为几块，根据每块内存区间的特点，使用不同的回收算法，提高垃圾回收的效率。