jvm垃圾回收算法

Posted 2021-02-06

前言
java相较于c、c++语言的优势之一是自带垃圾回收器，程序开发人员不用手动管理内存，内存的分配和释放完全由gc(Garbage Collector)来做，极大地提高了软件开发效率及程序健壮性（手动管理内存容易造成内存泄漏）。凡事皆有两面性，java gc在给我们带来内存管理便捷性的同时，也面临STW(Stop The World)影响程序吞吐的缺陷。作为java开发人员，只有深入理解jvm垃圾回收的机制，才能在程序性能出现瓶颈时，更好的对程序进行优化。
垃圾确定
在垃圾回收之前，jvm需要确定哪些对象已死，即需要当做垃圾被回收。垃圾确认的方法传统的有引用计数法：用一个引用计数器来标记对象当前的引用次数，当引用计数为0时，对象可回收。这种方法有个弊端是无法解决循环引用的问题，如两个对象相互引用则它们永远不会释放。另外一种方法是可达性分析算法，目前主流的语言（java、c#、golang等）都是采用这种方法来判定一个对象是否存活。可达性分析算法的思路是：将一系列根对象作为起点，沿着这些起点向下搜索，搜索经过的所有路径成为引用链，没有在引用链中的对象则为不可达对象，这类对象会被判断为可回收对象。可达性分析图如下：

可达性分析
标记-清除算法（Mark-Sweep）
标记清除算法是最基础的收集算法，顾名思义，算法分为两个阶段：首先标记需要回收的对象，然后统一回收所有被标记的对象。这种垃圾回收算法比较简单，但是存在两个不足之处：一个是效率问题，标记和清除都需要扫描整个内存空间的对象，效率较低；另一个是标记清除后会产生大量的内存碎片。标记-清除算法流程如下所示：

标记-清除算法
复制算法
为了解决上面的效率和内存碎片问题，有人提出了“复制”算法，它的思路是将内存一分为二，每次分配对象时只使用其中一半内存空间，当一块内存空间用完时，就将该块内存空间上存活的对象复制到另外一块内存上，然后将已使用过的内存空间一次清理掉，这样每次只对一半的内存进行回收，同时也解决了内存碎片的问题。同样，复制算法也有很明显的缺点：1. 牺牲了一半的内存空间，内存利用率最大也就50%；2. 当内存中存活的对象较多时，会进行大量的复制操作，效率会较低。复制算法的执行过程如下所示：

复制算法
标记-整理算法（Mark-Compact）
复制算法在存在大量存活对象的情况下效率低下，更关键的是50%的内存空间得不到利用，如果存活对象过多，内存空间可能不够，则需要额外的空间作为担保，因此，对于老年代不适合使用这种算法（新生代有老年代做担保）。
因此，根据老年代的特点，有人提出了“标记-整理”算法，标记-整理算法和标记-清除算法的第一步相同，即对所有需要回收的对象进行标记，不同的是，标记-整理算法在第二阶段并不是直接对可回收的对象进行清理，而是将所有存活的对象向一端移动，然后一把清理掉存活边界之外的内存。这种算法结合了标记-清除和复制算法的思想，即未浪费内存也避免了内存碎片的产生。“标记-整理”算法如下所示：

标记-整理算法
分代收集算法
分代收集并没有什么创新之处，这种算法只是将jvm堆内存分为不同的区域，再根据区域的特点采用不同的垃圾回收算法。一般分为新生代和老年代，新生代在再细分为Eden和Survivor区（8:1），在新生代中，对象的存活率低，因此采用“复制”算法，将Edian区存活的对象复制到Survivor区，而老年代中对象存活率高且没有额外的中间做担保，因此采用“标记-清除”或者“标记-整理”算法来进行垃圾回收。