GC 4 大垃圾收集算法

太过爱你忘了你带给我的痛 2023-02-24 15:30 101阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  什么是 GC？（分代收集算法）
 *  GC 算法总体概述
 *   *  Minor GC 和 Full GC 的区别
     *  引用计数法
 *  GC 四大算法
 *   *  复制算法（Copying）
     *   *  原理
         *  动态演示
         *   *   *  解释
                 *  劣势
     *  标记清除（Mark-Sweep）
     *   *  原理
         *  劣势
     *  标记整理算法
     *   *  原理
         *  劣势
 *  总结
 *   *  内存效率
     *  内存整齐度
     *  内存利用率
     *  难道没有一种最优算法吗？（分代垃圾算法）
     *   *  年轻代（Young Gen）
         *  老年代（Tenure Gen）

# 什么是 GC？（分代收集算法） #

GC（Garbage Collection）

*  次数上频繁手机 Young 区
 *  次数上较少收集 Old 区
 *  基本不动元空间

# GC 算法总体概述 #

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L1dvb19ob21l_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
JVM 在进行 GC 时，并非每次都对上面三个内存区域一起回收的，大部分时候回收的都是指新生代。因此 GC 按照回收的区域又分了两种类型，一种是普通 GC（minor GC），一种是全局 GC（major GC or Full GC）

## Minor GC 和 Full GC 的区别 ##

*  普通 GC（Minor GC）：只针对新生代区域的 GC，指发生在新生代的垃圾收集动作，因为大多数 Java 对象存活率都不高，所以 Minor GC 非常频繁，一般回收速度也比较快
 *  全局 GC（Major GC or Full GC）：指发生在老年代的垃圾收集动作，出现了 Minor GC，经常会伴随着至少一次的 Minor GC（但并不是绝对的）。Major GC 速度一般要比 Minor GC 慢 10 倍以上

## 引用计数法 ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L1dvb19ob21l_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
代码示例：

package com.java.demo;
    
    /** * @author Woo_home * @create 2020/7/9 21:45 */
    
    public class RefCountGC { 
    
        // 这个成员属性唯一的作用就是占用一点内存
        private byte[] bigSize = new byte[2 * 1024 * 1024];
    
        Object instance = null;
    
        public static void main(String[] args){ 
            RefCountGC objectA = new RefCountGC();
            RefCountGC objectB = new RefCountGC();
    
    		// 相互引用
            objectA.instance = objectB;
            objectB.instance = objectA;
            objectA = null;
            objectB = null;
    
            // 手动触发 GC
            System.gc();
        }
    }

# GC 四大算法 #

## 复制算法（Copying） ##

年轻代 中使用的是 Minor GC，这种 GC 算法采用的是复制算法（Copying）

### 原理 ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L1dvb19ob21l_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
Minor GC 会把 Eden 中的所有活的对象都移到 Survivor 区域中，如果 Survivor 区中放不下，那么剩下的活的对象就被移到 Old Generation 中，也就是说一旦收集后，Eden 就变成空的了

当对象在 Eden（包括一个 Survivor 区域，这里假设是 from 区域）出生后，在经过一次 Minor GC 后，如果对象还存活，并且能被另外一块 Survivor 区域所容纳（上面已经假设为 from 区域，这里应为 to 区域有足够的内存空间来存储 Eden 和 from 区域中存活的对象），则使用 复制算法 将这些仍然还存活的对象复制到另外一块 Survivor 区域（即 to 区域中），然后清理所使用过的 Eden 以及 Survivor 区域（即 from 区域），并且将这些对象的年龄设置为 1，以后对象在 Survivor 区域每熬过一次 Minor GC，就将对象的年龄 +1，当对象的年龄达到某个值时（默认是 15 岁，通过 **-XX:MaxTenuringThreshold** 来设定参数），这些对象就会成为老年代

--------------------

**-XX:MaxTenuringThreshold** ：设置对象在新生代中存活的次数

### 动态演示 ###

##### 解释 #####

年轻代中的 GC，主要是复制算法（Copying）

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L1dvb19ob21l_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

**HotSpot JVM** 把年轻代分为了三部分：**1 个 Eden 区**和 **2 个 Survivor 区**（分别叫 **from** 和 **to**）。默认比例是 **8：1：1** ，一般情况下，新创建的对象都会被分配到 Eden 区（一些大对象特殊处理），这些对象经过第一次 **Minor GC** 后，如果仍然存活，将会被移到 **Survivor 区**。对象在 **Survivor 区**中每熬过一次 **Minor GC**，年龄就会增加 **1 岁**，当它的年龄增加到一定的程度时，就会被移动到老年代中。因为年轻代中的对象基本都是朝生夕死的（**90%以上**），所以在 年轻代的垃圾回收算法使用的是复制算法，复制算法的基本思想就是将内存分为两块，每次只用其中一块，当这一块内存用完，就将还活着的对象复制到另一块上面。复制算法不会产生内存碎片

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在 GC 开始的时候，对象只会存在于 **Eden 区**和名为 **“From”** 的 **Survivor** 区，**Survivor** 区 **“To”** 是空的。紧接着进行 **GC**，**Eden** 区中所有存活的对象都会被复制到 **“To”**，而在 **“From”** 区中，仍存活的对象会根据它们的年龄值来决定去向。年龄达到一定值（年龄阈值，可以通过 **-XX:MaxTenuringThreshold** 来设置）的对象会被移动到年老代中，没有达到阈值的对象会被复制到 **“To”** 区域。经过这次 **GC** 后，Eden 区和 From 区已经被清空，这个时候，**“From”** 和 **“To”** 会交换它们的角色，也就是说新的 **“To”** 就是上次 **GC** 前的 **“From”**，新的 **“From”** 就是上次 **GC** 前的 **“To”**。不管怎样，都会保证名为 **To** 的 **Survivor** 区域是空的。**Minor GC** 会一直重复这样的过程，直到 **“To”** 区被填满，**“To”** 区域被填满之后，会将所有的对象移动到年老代中

##### 劣势 #####

复制算法它的缺点也是相当明显的

*  1、它浪费了一半的内存
 *  2、如果对象的存活率很高，我们可以极端一点，假设是 100% 存活，那么我们需要将所有对象都复制一遍，并将所有引用地址重置一遍。复制这一工作所花费的时间，在对象存活率达到一定程度时，将会变得不可忽视。所以从以上描述不难看出，复制算法要想使用，最起码对象的存活率要非常低才行，而且最重要的是，我们必须要克服 50% 内存的浪费

## 标记清除（Mark-Sweep） ##

老年代 一般是由标记清除或者是标记清除与标记整理的混合实现

### 原理 ###

垃圾收集算法——标记清除法（Mark-Sweep）

算法分成标记和清除两个阶段，先标记出要回收的对象，然后统一回收这些对象，如下图所示：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L1dvb19ob21l_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]  
优点：不需要额外空间  
缺点：两次扫描，耗时严重。会产生内存碎片

用通俗的话解释一下标记清除算法，就是当程序运行期间，若可以使用的内存被消耗尽的时候，GC 线程就会被触发并将程序暂停，随后将要回收的对象标记一遍，最终统一回收这些对象，完成标记整理工作接下来便让应用程序恢复运行

### 劣势 ###

*  1、首先，它的缺点就是效率比较低（递归与全堆对象遍历），而且在进行 GC 的时候，需要停止应用程序，这会导致用户体验非常差劲
 *  2、其次，主要的缺点则是这种方式清理出来的 空闲内存是不连续的，这点不难理解，可回收的对象都是随即出现在内存的各个角落的，现在把它们清除之后，内存的遍布自然会乱七八糟。而为了应付这一点，JVM 就不得不维持一个内存的空闲列表，这又是一种开销。而且在分配数组对象的时候，寻找连续的内存空间会不太好找

## 标记整理算法 ##

标记-清除算法会使内存产生碎片，那么如何解决这个问题呢？很显然，清除以后再清理一下内存不就行了么，然而标记-整理算法并不是简单地清理一下内存

### 原理 ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L1dvb19ob21l_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

在整理阶段，不再对标记的对象做回收，而是通过所有存活对象都向一端移动，然后直接清除边界以外的内存。可以看到，标记的存活对象将会被整理，按照内存地址一次排排列，而未被标记的内存会被清理掉。如此一来，当我们需要给新的对象分配内存时，JVM 只需要持有一个内存的起始地址即可，这比维护一个空闲列表显然少了许多开销

### 劣势 ###

标记-整理算法唯一的缺点就是效率也不高，不仅要标记所有的存活对象，还要整理所有存活对象的引用地址。**从效率上来说，标记-整理算法要低于复制算法**

# 总结 #

## 内存效率 ##

复制算法 > 标记清除算法 > 标记整理算法（此处的效率只是简单的对比时间复杂度，实际情况不一定如此）

## 内存整齐度 ##

复制算法 = 标记整理算法 > 标记清除算法

## 内存利用率 ##

标记整理算法 = 标记清除算法 > 复制算法

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可以看出，效率上来说，复制算法是当之无愧的老大，但是却浪费了太多的内存，而为了尽量兼顾上面所提到的三个指标，标记 / 整理算法相对来说更平滑一些，但效率上依然不尽如人意，它比复制算法多了一个标记的阶段，又比标记 / 清除多了一个整理内存的过程

## 难道没有一种最优算法吗？（分代垃圾算法） ##

是的，没有最好的算法，只有最合适的算法，也就是 =======> 分代收集算法

### 年轻代（Young Gen） ###

年轻代特点是区域相对老年代较小，对象存活率低

这种情况复制算法的回收整理，速度是最快的。复制算法的效率只和当前存活对象大小有关，因而很适用于年轻代的回收。而复制算法内存利用率不高的问题，通过 **HotSpot** 中的两个 **Survivor** 的设计得到缓解

### 老年代（Tenure Gen） ###

老年代的特点是区域较大，对象存活率高

这种情况下，存在大量存活率高的对象，复制算法明显变得不合适。一般是由标记清除或者是标记清除与标记整理的混合实现

Mark 阶段的开销与存活对象的数量成正比，这点上来说，对于老年代，标记清除或者标记整理有一些不符，但可以通过多核 / 线程利用，对并发、并行的形式提高标记效率

Sweep 阶段的开销与所管理区域的大小形正相关，但 **Sweep** “就地处决” 的特点，回收的过程没有对象的移动。使其相对其它的对象移动步骤的回收算法，仍然是效率最好的。但是需要解决内存碎片问题

Compact 阶段的开销与存活对象的数据成正比，如上一条所描述，对于大量对象的移动是很大开销的，作为老年代的第一选择并不合适

基于上面的考虑，老年代一般是由标记清除或者是标记清除与标记整理的混合实现。以 **HotSpot** 中的 **CMS** 回收器为例， **CMS** 是基于 **Mark-Sweep** 实现的，对于对象的回收效率很高，而对于碎片问题，**CMS** 采用基于 **Mark-Compact** 算法的 **Serial Old** 回收器作为补偿措施：当内存回收不佳（碎片导致的 **Concurrent Mode Failure** 时），将采用 **Serial Old** 执行 **Full GC** 以达到对老年代的内存的整理

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