JVM中的GC垃圾回收机制，引用计数法、复制算法和标记压缩清除算法

Love The Way You Lie 2024-03-17 11:10 101阅读 0赞

**目录**

一、GC是什么

二、引用计数法详解

三、复制算法详解

四、标记压缩清除算法

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## 一、GC是什么 ##

JVM中的GC指的是垃圾回收（Garbage Collection）。在Java虚拟机中，程序运行时会产生很多对象，这些对象可能会被程序不再使用，但它们仍然占据着内存空间，如果不及时清理，就会导致内存泄漏或内存溢出等问题。因此，Java虚拟机会通过垃圾回收器对这些无用对象进行自动清理和释放，以保证程序能够正常运行并且不会出现内存相关的问题。垃圾回收器可以根据不同的算法和策略来实现垃圾回收，包括标记-清除算法、复制算法、标记-整理算法等。

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## 二、引用计数法详解 ##

JVM中的引用计数法是一种垃圾回收算法。它的基本思想是通过记录每个对象被引用的次数，当引用该对象的变量被销毁时，将该对象的引用计数减1；如果发现某个对象的引用计数为0，则说明该对象已经不再被使用，可以进行垃圾回收了。

然而，由于引用计数法无法处理循环引用的情况，即两个或多个对象互相引用形成一个环，因此在实际应用中很少使用这种垃圾回收算法。目前主流的垃圾回收算法包括标记-清除算法、复制算法、标记-整理算法等。

下面是一个C++的引用计数法代码示例，供参考：

#include <iostream>
    using namespace std;
    
    class ReferenceCountedObject
    {
    public:
        int reference_count;
        ReferenceCountedObject() : reference_count(0) {}
        virtual ~ReferenceCountedObject() {}
    };
    
    class SomeClass : public ReferenceCountedObject
    {
    public:
        SomeClass() { cout << "SomeClass constructed" << endl; }
        ~SomeClass() { cout << "SomeClass destroyed" << endl; }
    };
    
    int main()
    {
        SomeClass* obj1 = new SomeClass();
        obj1->reference_count++;
        SomeClass* obj2 = obj1;
        obj2->reference_count++;
    
        if (obj1->reference_count == 2)
        {
            delete obj1;
        }
    
        if (obj2->reference_count == 2)
        {
            delete obj2;
        }
    
        return 0;
    }

这个示例通过定义一个`ReferenceCountedObject`类来维护每个对象的引用计数，`SomeClass`类继承自`ReferenceCountedObject`类并实现具体功能。在`main`函数中，我们创建了两个指向同一个对象的指针，并对它们进行了引用计数。当其中一个指针被销毁时，我们检查其所指向的对象的引用计数是否为0，如果是，则说明该对象已经不再被引用，可以进行垃圾回收。

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## 三、复制算法详解 ##

JVM的复制算法是一种垃圾回收算法，它主要应用于新生代的垃圾回收。在堆内存中，将新生代分为两个相等大小的区域：一个是Eden区，一个是Survivor区（通常有两个Survivor区）。当对象被创建时，会被放入Eden区，如果经过一次Minor GC后，仍然存活的对象会被移动到Survivor区中的一个，并且它们的年龄加1。当Survivor区空间不足时，剩余存活对象会被移动到另一个Survivor区中，并且它们的年龄重置为1。

复制算法的名称来源于其基本思想，即将存活的对象从一个区域复制到另一个区域。这样做的好处是可以避免内存碎片的产生，而且复制算法在进行垃圾回收时非常高效，因为只需要对存活对象进行复制和移动就可以了，不需要扫描整个堆空间。

然而，复制算法也有一些限制，例如需要至少两倍的空间来存放所有存活对象，如果存活对象很多，则可能导致堆空间不足。此外，由于每次垃圾回收都需要将存活对象复制到另一个区域，所以频繁进行垃圾回收会导致复制的开销很大。因此，复制算法主要应用于新生代，而老年代则通常采用其他垃圾回收算法。

JVM的复制算法是一种基于分代的垃圾回收算法，其主要思想是将堆内存分为两个区域：一个存活对象区和一个空闲对象区。在进行垃圾回收时，首先将存活对象从存活对象区复制到空闲对象区，然后清空存活对象区中的所有对象，使其变为空闲对象区。这样，在下一次垃圾回收时，就可以直接使用空闲对象区，而不需要再去扫描存活对象区。

下面是一个简单的JVM复制算法的示例代码：

public class CopyingGC {
      private static final int _1MB = 1024 * 1024;
    
      public static void main(String[] args) {
        byte[] allocation1, allocation2, allocation3, allocation4;
        allocation1 = new byte[2 * _1MB];
        allocation2 = new byte[2 * _1MB];
        allocation3 = new byte[2 * _1MB];
        allocation4 = new byte[4 * _1MB];  
      }
    }

在上面的示例中，我们定义了4个byte数组，并依次分配了8MB、8MB、8MB、16MB的内存。在进行垃圾回收时，JVM会将这些存活对象从存活对象区复制到空闲对象区，并将存活对象区清空。如果对比存活对象区和空闲对象区的内存占用情况，我们会发现存活对象区的内存占用量大约是8MB，而空闲对象区的内存占用量为0。这说明JVM通过复制算法将存活对象从存活对象区复制到空闲对象区，并且成功地回收了不再使用的内存。

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## 四、标记压缩清除算法 ##

JVM的标记压缩清除算法是一种垃圾回收算法，也称为“标记-压缩算法”或“标记-整理算法”。它在标记-清除算法的基础上进行了改进，解决了标记-清除算法中会产生内存碎片的问题。

标记-压缩清除算法的基本流程如下：

1.首先和标记-清除算法一样，从根节点开始遍历所有可达对象，将其标记为“活动对象”。

2.然后，将所有活动对象压缩到堆的一端，也就是将它们移动到连续的地址空间中。这个过程也称为“压缩”或“整理”，相当于把所有活动对象都移到了一起，以便在后续的内存分配时能够使用较大的连续块。

3.最后，对堆的另一端的未被使用的内存进行回收。

相比标记-清除算法，标记-压缩清除算法的优势在于可以减少内存碎片的产生，提高内存的利用率，在应对长时间运行的程序时，效果尤为明显。但同时，由于需要移动对象，所以它的性能开销较大。

首先，一般而言，Java程序员不会直接编写JVM的垃圾回收器。相反，他们使用Java的内存管理机制和垃圾回收器作为后台服务来管理内存。Java垃圾回收器根据堆的大小、内存使用情况等因素来决定何时触发垃圾回收，并根据所选的垃圾回收算法进行垃圾回收。以下是一个简单的Java代码片段，演示了标记压缩清除算法：

public class MyGarbageCollector {
        
        public void collectGarbage(Heap heap) {
            // 标记活跃对象
            markActiveObjects(heap);
            
            // 压缩所有对象
            compactObjects(heap);
            
            // 清除未标记对象
            clearUnmarkedObjects(heap);
        }
        
        private void markActiveObjects(Heap heap) {
            // 遍历所有对象，将可达的对象打上标记
            for(Object object : heap.getAllObjects()) {
                if(isObjectReachable(object)) {
                    object.setMarked(true);
                }
            }
        }
        
        private void compactObjects(Heap heap) {
            int offset = 0;
            // 遍历所有对象，将被标记的对象移动到堆的起始位置，并更新引用的指针
            for(Object object : heap.getAllObjects()) {
                if(object.isMarked()) {
                    object.setOffset(offset);
                    offset += object.getSize();
                }
            }
        }
        
        private void clearUnmarkedObjects(Heap heap) {
            // 遍历所有对象，将未被标记的对象从堆中释放
            for(Object object : heap.getAllObjects()) {
                if(!object.isMarked()) {
                    heap.free(object);
                } else {
                    // 清除标记，以便下次GC使用
                    object.setMarked(false);
                }
            }
        }
        
        private boolean isObjectReachable(Object object) {
            // 判断对象是否可达
            // ...
        }
    }

在这个示例代码中，我们使用了 `markActiveObjects` 方法来遍历所有对象，并将可达的对象打上标记。接下来，在 `compactObjects` 方法中，我们移动了所有被标记的对象到堆的起始位置，并更新引用的指针。最后，在 `clearUnmarkedObjects` 方法中，我们遍历所有对象，将未被标记的对象从堆中释放，并清除标记以便下次垃圾回收使用。

当然，这是一个非常简单的实现，实际上，Java虚拟机和垃圾回收器的实现要复杂得多，而且包含了很多其他的优化和特性。

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