Java虚拟机：垃圾收集算法

水深无声 2023-01-05 05:25 171阅读 0赞

> Java与C++之间有一堵由内存分配和垃圾收集技术所围成的高墙，墙外面的人想进去，墙里面的人却想出来。

![垃圾搜集器与内存分配策略.png][.png]

## 垃圾收集算法 ##

### 1、分代收集理论 ###

![分代收集理论.png][.png 1]

> 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，它建立在两个分 代假说之上：
> 
>  *  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。

这两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。

1.  **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， 读者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。

1.  **整堆收集**（Full GC）：收集整个Java堆和方法区的垃圾收集。

### 2、标记-清除算法 ###

> 最基础的收集算法

**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。
>  *  标记过程就是对象是否属于垃圾的判定过程

**缺点**：

*  第一个是**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；
 *  第二个是**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。

![image.png][]

### 3、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

>  *  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。

**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；
 *  在对象存活率较高时就要进行较多的复制操作，效率将会降低；
 *  如果不想浪费50%的空间，就需要有额外的空间进行分配担保，以应对被使用的内存中所有对象都100%存

**活的极端情况，所以在老年代一般不能直接选用这种算法**。

![image.png][image.png 1]

> 现在的商用Java虚拟机大多都优先采用了这种收集算法去回收**新生代**

#### Appel式回收 ####

*  **把新生代分为一块较大的Eden空间和两块较小的 Survivor空间**，每次分配内存只使用Eden和其中一块Survivor。发生垃圾搜集时，将Eden和Survivor中仍然存活的对象一次性复制到另外一块Survivor空间上，然后直接清理掉Eden和已用过的那块Survivor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。
 *  **Appel式回收还有一个充当罕见情况的“逃生门”的安全设计**，当Survivor空间不足以容纳一次Minor GC之后存活的对象时，就需要依赖其他内存区域（实际上大多就是老年代）进行分配担保。

> 内存的分配担保也一样，如果另外一块 Survivor空间没有足够空间存放上一次新生代收集下来的存活对象，这些对象便将通过分配担保机制直接进入老年代，这对虚拟机来说就是安全的。

### 4、标记-整理算法 ###

>  *  针对**老年代对象**的存亡特征 ----->“标记-整 理”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

**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。

![image.png][image.png 2]

是否移动回收后的存活对象是一项优缺点并存的风险决策：

*  如果移动存活对象，尤其是在老年代这种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
 *  全不考虑移动和整理存活对象的话，弥散于堆中的存活对象导致的 空间碎片化问题就只能依赖更为复杂的内存分配器和内存访问器来解决。----->直接影响应用程序的吞吐量。

> HotSpot虚拟机里面关注吞吐量的Parallel Scavenge收集器是基于标记-整理算法的，而关注延迟的CMS收集器则是基于标记-清除算法的

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