0040-垃圾收集算法

爱被打了一巴掌 2023-02-21 06:42 8阅读 0赞

### 文章目录 ###

*   *   *  1. 前言
         *  2. 标记算法
         *   *  2.1 引用计数算法
             *  2.2 可达性分析算法
         *  3. 对象的finalization机制
         *  4. 垃圾清除阶段算法
         *   *  4.1 标记-清除（Mark-Sweep）
             *  4.2 复制算法（Copying）
             *  4.3 标记-压缩算法（Mark-Compact）
         *  4.4 三种算法的比较
         *  5. 分代收集算法
         *  6. 补充算法
         *   *  6.1 增量收集算法
             *  6.2 分区算法

### 1. 前言 ###

垃圾回收分为两个阶段，首先确认哪些对象是垃圾——标记阶段，其次是垃圾确认以后的回收——回收阶段

### 2. 标记算法 ###

#### 2.1 引用计数算法 ####

**1. 简述**

对于一个对象A，只要有任何一个对象引用了A，则A的引用计数器就加1；当引用失效时，引用计数器就减1。只要对象A的计数器的值为0，即表示对象A不可能再被使用，可进行回收。

**2. 优点**

实现简单，垃圾对象便于辨识，判断效率高，回收没有延迟性

**3. 缺点**

1.  每个对象需要一个引用计数器属性，用于记录对象被引用的情况，这个做法增加了存储空间的开销
2.  每次赋值都需要更新计数器，增加了时间开销
3.  无法处理循环引用的问题，java的垃圾回收器没有采用这个算法

*循环引用例子*  
  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dyb25neWFv_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
  
当p引用断掉以后右边的三个对象循环引用

*如何解决循环引用*

1.  手动解除，再合适的时机手动解除引用关系
2.  使用弱引用weakref（垃圾回收时会回收弱引用的对象）

#### 2.2 可达性分析算法 ####

可达性分析算法也称根搜索算法和追踪性垃圾收集

**1. 简述**

1.  从跟对象集合（GC Roots）为起始点，从上至下搜索被根对象集合所连接的目标对象
2.  内存中存活的对象都会被根对象集合直接或间接连着，搜索所走过的路径被称为引用链（Reference Chain）
3.  如果对象没有任何引用链相连，则可以标记为垃圾对象，反之则是存活的对象  
      
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dyb25neWFv_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

**2. GC Roots有哪些**

1.  虚拟机栈中引用的对象  
    比如：方法中使用到的参数和局部变量
2.  本地方法栈内JNI引用的对象
3.  方法区中类静态属性引用的对象  
    比如：类的静态变量
4.  方法区中常量引用的对象  
    比如：字符串常量池里的引用
5.  所有被同步锁synchronized持有的对象
6.  虚拟机内部引用  
      
    6.1 Class对象  
      
    6.2 常驻异常对象  
      
    6.3 系统类加载器
7.  反映java虚拟机内部情况的JMXBean、JVMTI中注册的回调、本地代码缓存等
8.  除了上述固定的GC Roots集合以外，根据用户所选用的垃圾回收器以及当前回收的内存区域的不同，还可以有其它对象“临时性的加入”  
    比如：回收新生代的时候，老年代指向新生代引用也会被当作Root

**注意**

使用可达性算法判断内存是否可回收，必须在能保障一致性的快照中进行，这是导致GC进行时必须“Stop The World”的一个重要原因（并行收集的CMS在枚举根节点时也要停顿）

### 3. 对象的finalization机制 ###

**基本概述**

1.  Java语言提供了对象终止（finalization）机制来允许开发人员提供对象被销毁之前的自定义处理逻辑
2.  垃圾回收对象之前，总会先调用这个对象的finalize()方法
3.  finalize()方法允许在子类中被重写，用于对象在回收前的资源清理工作，如关闭文件，套接字和数据库连接等
4.  不要主动调用对象的finalize()方法，应该交给垃圾回收机制调用，主要原因  
      
    4.1 在finalize()时可能会导致对象复活  
      
    4.2 finalize()方法的执行时间时没有保障，完全由GC线程决定，不发生GC，则finalize()没有执行的机会  
      
    4.3 一个糟糕的finalize()会严重影响GC的性能

**2. 对象的三种状态**

由于finalize()方法的存在，虚拟机中的对象一般处于三种可能的状态

1.  可触及的：从根节点开始，可以到达这的对象
2.  可复活的：对象的所有引用都被释放，但是对象有可能在finalize()中复活
3.  不可触及的：对象的finalize()被调用，并且没有复活。不可触及的对象不可能被复活，因为finalize()只会被调用一次

**3. 对象回收的具体过程**

判定一个对象objA是否可回收，至少需要经历两次标记过程：

1.  如果GC Roots到对象objA没有引用链，则进行第一次标记
2.  进行筛选，判断此对象是否有必要执行finalize()方法  
      
    2.1 若果objA没有重写finalize()方法，或者finalize()方法已经被虚拟机调用过，则虚拟机视为“没有必要执行”，objA被判定为不可触及的  
      
    2.2 如果对象objA重写了finalize()方法，且还未执行过那么objA会被插入到F-Queue队列，由一个虚拟机自动创建的、低优先级的Finalizer线程触发其finalizer线程触发其finalize()方法执行  
      
    2.3 finalize()方法是对象逃脱死亡的最后机会，稍后GC会对F-Queue队列中的对象进行第二次标记，如果objA在finalize()方法中与引用链上的任何一个对象建立了联系，那么在第二次标记时，objA会被移出“即将回收”集合。之后，对象会再次出现没有引用存在的情况，在这个情况下，finalize方法不会被再次调用，对象会直接变成不可触及的状态，也就是说，一个对象的finalize方法只能被调用一次  
      
      
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dyb25neWFv_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

### 4. 垃圾清除阶段算法 ###

通过垃圾标记阶段确认出哪些是垃圾以后，通过相关垃圾清除垃圾

#### 4.1 标记-清除（Mark-Sweep） ####

**1. 执行过程**

当堆中的有效内存空间（available memory）被耗尽的时候，就会停止整个程序（也称为stop the world），然后进行两项工作，第一项则是标记，第二项则是清除

1.  标记：Collector从引用根节点开始遍历，标记所有被引用的对象。一般是在对象的Header中记录为可达对象。
2.  清除：Collector对堆内存从头到尾进行线性遍历，如果发现某个对象在其Heaer中没有标记可达对象，则将其回收  
      
      
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dyb25neWFv_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

**2. 缺点**

1.  效率不算高（三个算法，属于中间的）
2.  在进行GC的时候，需要停止整个应用程序，导致用户体验差
3.  这种方式清理出来的空闲内存是不连续的，产生内存碎片。需要维护空闲列表

何为清除

这里所谓的清除并不是真正的置空，而是把需要清除的对象地址保存在空闲的地址列表里。下次有新对象需要加载时，判断垃圾的位置空间是否够，如果够，就存放。（再次存数据的时候，才会真正的清除数据）

#### 4.2 复制算法（Copying） ####

**1. 核心思想**

将活着的内存空间分为两块，每次只使用其中一块，在垃圾回收时将正在使用的内存中存活对象复制到未被使用的内存块中，之后清除正在使用的内存块中的所有对象，交换两个内存的角色，最后完成垃圾回收。  
  
  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dyb25neWFv_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]

**2. 优点**

1.  没有标记和清除过程，实现简单，运行高效
2.  复制过去以后保证空间的连续性，不会出现内存碎片问题

**3. 缺点**

1.  需要两倍的内存空间
2.  对于G1这种拆分为大量region的GC，复制而不是移动，意味着GC需要维护region之间对象引用关系，不管是占用或者时间开销也不小。
3.  如果系统中的垃圾对象很多，复制算法需要复制的对象数量并不会太大，反之需要复制的对象太多，会导致效率大大降低

**4. 应用场景**  
在新生代中，对常规应用的垃圾回收，一次通常可以回收70%-99%的内存空间。回收性价比很高。所以现在的商业虚拟机都是用复制算法回收新生代  
  
  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dyb25neWFv_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]  
  
  
回收过程如下

1.  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”
2.  在“From”区中，仍存活的对象会根据他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)的对象会被移动到老年代中
3.  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
4.  “From”和“To”会交换他们的角色

#### 4.3 标记-压缩算法（Mark-Compact） ####

**1. 执行过程**

1.  第一阶段和标记清除算法一样，从根节点开始标记所有被引用对象
2.  第二阶段将所有的存活对象压缩到内存的一端，按顺序排放，之后清理边界外所有的空间  
      
      
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dyb25neWFv_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]

**2. 标记-压缩与标记清除算法的比较**

1.  标记-压缩算法的最终效果等同于标记-清除算法执行完成后，再进行一次内存碎片整理，因此也可以成为标记-清除-压缩算法（Mark-Sweep-Compact）
2.  两者的本质区别在于标记-清除算法是一种非移动式的回收算法，标记-压缩是移动式的。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，移动以后需要修改引用对象指向新的地址
3.  标记压缩算法对于标记的存活对象将会被整理，按照内存地址依次排列，未被标记的内存将会被清理掉。在给新对象分配内存时，jvm只需要持有一个内存的起始地址即可，比维护空闲列表简单

**3. 内存分配**

1.  指针碰撞

> 假设JVM堆中内存是规整的，所有用过的内存放在一边，没用过的内存放在另一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，那所分配内存的过程就仅仅是把那个指针向空闲空间的方向挪动一段与对象大小相等的距离，这种分配方式被称为“指针碰撞（Bump the Pointer）”

1.  空闲列表

> 如果JVM堆中的内存不是规整的，使用过的内存空间与未使用的内存空间相互交错，那就没办法进行简单的“指针碰撞”了，虚拟机就必须维护一个列表，记录哪些内存块是可用的，分配的时候在列表中找到一段足够大的内存空间分配给对象实例，并更新列表中的记录，这种分配方式被称为“空闲列表（Free List）”

使用标记-清除算法内存空间是零散的所以后续使用空闲列表的方式为对象分配内存空间，而标记清除-压缩算法会压缩空间，内存是规整的，后续使用标记压缩算法分配内存空间

**4. 优点**

1.  消除了标记-清除算法当中，内存区域分散的缺点，我们需要给新对象分配内存时，jvm只需要持有一个内存的起始地址即可（每个对象占用的空间由内部成员变量决定，每个成员变量的空间java有规定，如int占4个字节）
2.  消除了复制算法当中，内存减半的高额代价

**5. 缺点**

1.  从效率上来说，标记-整理算法要低于标记-清除算法，更低于复制算法
2.  移动对象的同时，如果对象被其他对象引用，还需要调整引用引用的地址
3.  移动过程中，则需要全程暂停用户引用程序。即:STW

### 4.4 三种算法的比较 ###

![在这里插入图片描述][20200615212750471.png]

1.  效率上来说，复制算法最快，但是浪费了太多的内存。
2.  标记-压缩比复制算法多了一个标记阶段，比标记-清除算法多了一个整理内存的阶段

### 5. 分代收集算法 ###

**1. 前言**

首先分代收集算法不是指某一种具体的垃圾回收算法，是指在不同的内存代中使用不同的垃圾回收算法（上述三种）

**2. 年轻代**

1.  年轻代特点，区域相对老年代小，对象生命周期短、存活率低、回收频繁
2.  年轻代适合使用复制算法，存活率低需要复制的存活对象不会很多，需要“浪费”一个survivor区的空间

**3. 老年代**

1.  老年代特点，区域大，对象生命周期长、存活率高、回收不及年轻代频繁
2.  老年代使用标记-清除算法或者标记清除与标记-整理的混合实现

*  Mark阶段的开销与存活对象的数量成正比
 *  Sweep阶段的开销与所管理的内存区域大小成正相关
 *  Compact阶段的开销与存活对象的数据成正比

### 6. 补充算法 ###

所谓的补充算法，和分代回收算法的概念一样，只是在于如何运用上述的三种算法，并不是真正具体的垃圾回收算法

#### 6.1 增量收集算法 ####

1.  如果一次性将所有的垃圾进行处理，需要造成系统长时间的停顿，那么就可以让垃圾收集线程和运用线程交替执行
2.  增量收集算法的基础任是传统的标记-清除和复制算法。增量收集算法通过对线程间的冲突的妥善处理，允许垃圾收集线程分阶段的方式完成标记，清理或复制工作
3.  缺点：垃圾回收过程中，间断性的还执行了应用程序代码，能减少系统的停顿时间，但是线程切换和上下文转换需要消耗时间，会导致垃圾回收的总体成本上升，造成系统的吞吐量下降（运用线程耗时占总耗时部分）

#### 6.2 分区算法 ####

1.  一般来说，在相同条件下，堆空间越大，一次GC时所需要的时间就越长，有关GC的停顿也越长，为了更好的控制GC长生的停顿时间，将一块大的内存区域分割成多个小块，根据目标停顿时间，每次合理地回收若干个小区间，而不是整个堆空间，从而减少一次GC所产生的停顿
2.  从内存的角度，分代算法将按照对象的生命周期长短划分成两个部分，分区算法将整个堆空间划分成连续的不同小空间
3.  每一个小区间都独立使用，独立回收。这种算法的好处时可以控制一次回收多少个小区间

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dyb25neWFv_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]

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