【JVM】分代收集和垃圾收集算法详解

ゞ浴缸里的玫瑰 2024-04-08 08:15 75阅读 0赞

### 前言 ###

> 本文主要学习，分代收集和垃圾回收算法包含：**标记清楚、标记复制、标记整理**。

### 分代收集理论 ###

分代收集名为理论，实质是一套符合大多数程序运行实际情况的经验法则，总结了三条假说：

> 1）弱分代假说（Weak Generational Hypothesis）：绝大多数对象都是朝生夕灭的。  
> 2）强分代假说（Strong Generational Hypothesis）：熬过越多次垃圾收集过程的对象就越难以消亡。  
> 3）跨代引用假说（Intergenerational Reference Hypothesis）：跨代引用相对于同代引用来说仅占极少数。

前两条个分代假说共同奠定了多款常用的垃圾收集器的一致的设计原则：收集器应该将Java堆划分出不同的区域，然后将回收对象依据其年龄（年龄即对象熬过垃圾收集过程的次数）分配到不同的区域之中存储。

在Java堆划分出不同的区域之后，垃圾收集器才可以每次只回收其中某一个或者某些部分的区域——因而才有了“Minor GC”“Major GC”“Full GC”这样的回收类型的划分；也才能够针对不同的区域安排与里面存储对象存亡特征相匹配的垃圾收集算法——因而发展出了“标记-复制算法”“标记-清除算法”“标记-整理算法”等针对性的垃圾收集算法。当然，这一切的出现都始于分代收集理论。

依据第三条假说，我们就不应再为了少量的跨代引用去扫描整个老年代，也不必浪费空间专门记录每一个对象是否存在及存在哪些跨代引用，只需在新生代上建立一个全局的数据结构（该结构被称为“记忆集”，Remembered Set），这个结构把老年代划分成若干小块，标识出老年代的哪一块内存会存在跨代引用。此后当发生Minor GC时，只有包含了跨代引用的小块内存里的对象才会被加入到GCRoots进行扫描。虽然这种方法需要在对象改变引用关系（如将自己或者某个属性赋值）时维护记录数据的正确性，会增加一些运行时的开销，但比起收集时扫描整个老年代来说仍然是划算的。

#### 不同分代的收集名词 ####

·部分收集（Partial GC）：指目标不是完整收集整个Java堆的垃圾收集，其中又分为：

> ■新生代收集（Minor GC/Young GC）：指目标只是新生代的垃圾收集。  
>   
> ■老年代收集（Major GC/Old GC）：指目标只是老年代的垃圾收集。目前只有CMS收集器会有单独收集老年代的行为。另外请注意“Major GC”这个说法现在有点混淆，在不同资料上常有不同所指，需按上下文区分到底是指老年代的收集还是整堆收集。  
>   
> ■混合收集（Mixed GC）：指目标是收集整个新生代以及部分老年代的垃圾收集。目前只有G1收集器会有这种行为。

·整堆收集（Full GC）：收集整个Java堆和方法区的垃圾收集。

### 标记-清除算法 ###

> 最早出现也是最基础的垃圾收集算法是“标记-清除”（Mark-Sweep）算法，在1960年由Lisp之父John McCarthy所提出。如它的名字一样，算法分为“标记”和“清除”两个阶段：首先标记出所有需要回收的对象，在标记完成后，统一回收掉所有被标记的对象，也可以反过来，标记存活的对象，统一回收所有未被标记的对象。

注：标记过程就是对象是否属于垃圾的判定过程

示意图如下：  
![请添加图片描述][12ae33a3dca5456eb066e50ecca5798c.png]

主要有两个缺点：  
1、执行效率不稳定，如果Java堆中包含大量对象，而且其中大部分是需要被回收的，这时必须进行大量标记和清除的动作，导致标记和清除两个过程的执行效率都随对象数量增长而降低；

2、内存空间的碎片化问题，标记、清除之后会产生大量不连续的内存碎片，空间碎片太多可能会导致当以后在程序运行过程中需要分配较大对象时无法找到足够的连续内存而不得不提前触发另一次垃圾收集动作。

### 标记-复制算法 ###

>  标记-复制算法常被简称为复制算法。为了解决标记-清除算法面对大量可回收对象时执行效率低的问题，1969年Fenichel提出了一种称为“半区复制”（Semispace Copying）的垃圾收集算法，它将可用内存按容量划分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块。当这一块的内存用完了，就将还存活着的对象复制到另外一块上面，然后再把已使用过的内存空间一次清理掉。

示意图如下：![请添加图片描述][37317ea5a4934918ae321d42b332597b.png]

优点：  
对于多数对象都是可回收的情况，算法需要复制的就是占少数的存活对象，而且每次都是针对整个半区进行内存回收，分配内存时也就不用考虑有空间碎片的复杂情况，只要移动堆顶指针，按顺序分配即可。这样实现简单，运行高效。

缺点：  
这种复制回收算法的代价是将可用内存缩小为了原来的一半，浪费空间。

HotSpot虚拟机默认Eden和Survivor的大小比例是8∶1，也即每次新生代中可用内存空间为整个新生代容量的90%（Eden的80%加上一个Survivor的10%），只有一个Survivor空间，即10%的新生代是会被“浪费”的。

### 标记-整理算法 ###

> 针对老年代对象的存亡特征，1974年Edward Lueders提出了另外一种有针对性的“标记-整理”（Mark-Compact）算法，其中的标记过程仍然与“标记-清除”算法一样，但后续步骤不是直接对可回收对象进行清理，而是让所有存活的对象都向内存空间一端移动，然后直接清理掉边界以外的内存。

示意图如下：  
![请添加图片描述][5c831631e7124f6f8763b2648811917c.png]  
标记-清除算法与标记-整理算法的本质差异在于前者是一种非移动式的回收算法，而后者是移动式的。

老年代移动存活对象每次回收都有大量对象存活区域，移动存活对象并更新所有引用这些对象的地方将会是一种极为负重的操作，而且这种对象移动操作必须全程暂停用户应用程序才能进行，像这样的停顿被最初的虚拟机设计者形象地描述为“Stop The World”。

![在这里插入图片描述][9e294359559846a6835f2a33b9638fa4.png]  
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一城烟雨一楼台 一花只为一树开

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