JVM系列(三)、GC算法


1. 介绍

垃圾收集器( Garbage Collection ) 通常被称为 “GC”,它诞生于1960年 MIT 的 Lisp 语言,经过半个多世纪,目前已经十分成熟了。Jvm中,程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈都是随线程而生随线程而灭,栈帧随着方法的进入和推出做如栈出栈操作,实现了自动的内存清理,因此,我们的内存垃圾回收主要几种于Java堆和方法区中,在程序运行期间,这部分内存的分配都是动态的。
打印gc日志参数:-verbose:gc -XX:+PrintGCDetails

2. 对象存活判断

判断对象是否存活一般有两种方式:

  • 引用计数
    每个对象有一个引用计数属性,新增一个引用时计数+1,引用释放时计数-1,计数为0时可以回收。引用计数器可以很快的执行,交织在运行程序中,对程序需要不被长时间打断的实时环境比较有利。
    无法检测出循环引用。如父对象有一个对子对象的引用。子对象反过来也引用父对象,这样引用计数器永远不可能为0。此方法简单但是无法解决对象互相循环引用的问题。
  • 可达性分析(Reachability Analysis)
    又叫根搜索法,根搜索法是从离散数学中的图论引入的,程序把所有的引用关系看做一张图,从一个节点GC Root 开始,寻找对应的引用节点,找到这个节点以后,继续寻找这个节点的引用节点,当所有的引用节点寻找完毕之后剩余的节点则被认为是没有被引用到的节点,即无用节点

在Java语言中,GC Roots包括:

  • 虚拟机栈中引用的对象(本地变量表)。
  • 本地方法栈中JNI引用的对象。
  • 方法区中类静态属性实体引用的对象。
  • 方法区中常量引用的对象。

3、垃圾收集算法

3.1 标记-清除算法

标记-清除(Mark-Sweep)算法,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。之所以说它是最基础的收集算法,是因为后续的收集算法都是基于这种思路并对其缺点进行改进而得到的。

它的主要缺点有两个:

  1. 效率问题,标记和清除过程的效率都不高;
  2. 空间问题,标记清除之后会产生大量的不连续的内存碎片,空间碎片太多可能会导致当程序在以后的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出发另一次垃圾收集动作。标记-清除算法

3.2 复制算法

  • “复制”(Copying)的收集算法,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。这样使得每次都是对其中的一块进行内存回收,内存分配时也就不用考虑内存碎片等复杂问题,只要移动堆顶指针,按顺序分配内存即可,实现简单,运行高效。只是这种算法的代价是将内存缩小为原来的半,持续复制长生存期的对象则导致效率降低。
  • 现在的商业虚拟机都采用这种收集算法来回收 新生代 ,研究表明,新生代的对象中有98% 是”朝生夕死”的,所以不需要按照1:1的比例来划分内存空间,而是将内存分为一块较大的Eden空间和两个较小的Survivor空间(Survivor From, Survivor To),每次使用Eden和其中一块Survivor。
  • 当回收时,将Eden 和Survivor中还活着的对象一次性地复制到另外一块Survivor空间上,最后清掉Eden和刚才用过的Survivor空间。HotSpot虚拟机默认Eden和Survivor的大小比例是8:1:1,也就是每次新生代中可用内存空间是整个新生代容量的90%(80%+10%),只有10%的内存会被”浪费”。当然,98%的对象可回收只是一般场景下的数据,我们没办法保证每次回收数据都少于10%,当Survivor空间不够用时,需要依赖老年代的内存进行分配担保(Handle Promotion)
复制算法

3.3 标记-整理算法

复制收集算法在对象存活率较高时就要执行较多的复制操作,效率将会降低。更关键的时,如果不想浪费50%的内存空间,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。

根据老年代的特点,有人提出了另一种“标记-压缩”(Mark-Compact)算法,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一端移动,然后直接清理掉端边界意外的内存。
标记-压缩算法

3.4 分代收集算法

GC分代的基本假设:绝大部分对象的生命周期都非常短暂,存活时间短。

“分代收集”(Generational Collection)算法,把Java堆分为新生代和老年代,这样就可以根据各个年代的特点采用最适当的收集算法。

在新生代中,每次垃圾收集时都发现有大批对象死去,只有少量存活,那就选用复制算法,只需要付出少量存活对象的复制成本就可以完成收集。

在老年代中,因为对象存活率高、没有额外的空间对它们进行分配担保,就必须使用“标记-清除”或者“标记-压缩”算法来进行回收。


文章作者: hnbian
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