垃圾回收的核心知识点解析

曾经终败给现在 2023-10-13 17:27 62阅读 0赞

#### 目录 ####

*  检测垃圾
 *   *  引用计数算法
     *  可达性分析算法
 *  回收垃圾
 *   *  标记清除算法
     *  复制算法
     *  标记整理算法
     *  分代算法

Java运行时内存中的程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈这三部分区域其生命周期与相关线程有关，随线程而生，随线程而灭。而程序计数器就是一个单纯存地址的整数也不需要关心，因此我们GC（垃圾回收）的主要目标就是堆（堆中存放着几乎所有实例对象）！

## 检测垃圾 ##

一个对象，如果后续不再被使用且没有引用指向它，就可以认为是垃圾。  
有以下方法可知对象是否有引用指向：

### 引用计数算法 ###

> 在主流的JVM中没有选用引用计数法来管理内存，最主要的原因就是引用计数法无法解决对象的循环引用问题 Python，PHP采取了引用计数算法。

给对象增加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器就+1；当引用失效时，计数器就-1；任何时刻计数器为0的对象就是不能再被使用的，即可被回收。

Test test1 = new Test();
            Test test2 = test1;
            Test test3 = test1;
            Test test4 = test1;

![在这里插入图片描述][a9f3f241a2904a7fa9710000b33f8b64.png]

此算法存在两个缺陷：

1.  浪费内存空间
2.  存在循环引用的情况  
    用一个例子来解释一下循环引用的问题：

class Test {
        
     public Test test;
    }
            Test test1 = new Test();
            Test test2 = new Test();
            test1.test=test2;
            test2.test=test1;

![在这里插入图片描述][1e863e9a8e1c46cfa4fa45a9667dfb45.png]  
此时test1与test2 销毁了，两个对象的引用计数分别减一。  
![在这里插入图片描述][2258665b84394121aa2309ed8346d8fd.png]  
此时这两个对象的引用计数不为0，不能作为垃圾且无法使用，陷入了一个逻辑上的循环。

### 可达性分析算法 ###

通过一系列称为"GC Roots"的对象作为起始点，从这些节点开始向下搜索，搜索走过的路径称之为"引用链"，**当一个对象到GC Roots没有任何的引用链相连时(从GC Roots到这个对象不可达)时，证明此对象是不可用的**。

![在这里插入图片描述][16404383dc3a4b2194b6cf4554787a37.png]  
在java中，可作为GC Roots（垃圾回收根对象）的对象有以下几种：

1.  栈上的局部变量
2.  常量池中引用的对象
3.  方法区中类静态属性引用的对象

只有从GC Roots对象开始，通过引用链可达的对象才被认为是存活的，而无法通过引用链访问的对象则会被判定为垃圾，并进行回收。

缺点：

1.  遍历开销：可达性分析算法需要遍历整个对象图以确定每个对象的可达性。对于大型堆和复杂的引用关系，遍历开销可能非常大，特别是在全局垃圾回收中。这可能会导致垃圾回收的性能下降。
2.  延迟回收：可达性分析算法需要遍历整个对象图，从GC Roots开始，逐个检查每个对象的引用关系。这个过程可能需要消耗大量的时间，**且在垃圾回收期间，应用程序的执行会被暂停**（STW - Stop-The-World）。因此，可达性分析算法可能导致较高的延迟，影响程序的响应性能。

## 回收垃圾 ##

### 标记清除算法 ###

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所有被标记的对象。  
回收前：  
![在这里插入图片描述][db90f3bef07746e4931cbc32f1e737da.png]  
回收后：  
![在这里插入图片描述][0a7ee045929c494098a8fb37f784acea.png]  
![在这里插入图片描述][1daaa7e5fff841e097dd00302bd2c8c6.png]  
不足：

1.  标记和清除这两个过程的效率都不高。
2.  标记清除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以后在程序运行中需要分配较大对象时，无法找到足够连续内存而不得不提前触发另一次垃圾收集。

### 复制算法 ###

"复制"算法是为了解决"标记-清理"的效率问题。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。  
**简单来说复制算法就是把不是垃圾的对象拷贝到未使用的那一边，然后再统一释放刚才使用过的那一块区域**。

缺点：

1.  内存利用率比较低。
2.  如果当前区域的大部分对象都需要保留垃圾很少，那么此时的复制成本就比较高。

### 标记整理算法 ###

标记整理算法的基本流程：

1.  标记：从根对象开始，通过可达性分析算法，标记所有从根对象可达的存活对象。标记过程中，通常使用标记位（标记状态）来标记对象是否为存活对象。
2.  整理：将所有存活对象移到堆的一端，紧凑排列，以便释放出连续的一段内存空间。在移动存活对象时，需要更新对这些对象的引用，确保引用指向移动后的新位置。
3.  更新引用：在堆中，遍历所有存活对象的引用，将其指向新的位置。这是为了避免悬挂指针（引用指向被移动或已回收的对象）的问题。
4.  释放未标记的对象：在整理后的堆中，所有没有被标记的对象都可以被认为是垃圾对象，可以直接被回收。

优点：解决了内存碎片问题。  
缺点：搬运复制开销比较大。

### 分代算法 ###

分代算法主要基于一种观察：大部分对象的生命周期都比较短暂。根据这个观察，分代算法将堆内存划分为不同的代（Generation），每一代中对象的生命周期不同，并且根据对象的生命周期将不同的垃圾回收策略应用于不同的代中。

一般来说，分代堆内存被划分为年轻代（Young Generation）和老年代（Old Generation）两个主要部分  
**年轻代**：  
年轻代是存放新创建的对象的地方，大部分对象在创建后很快就变为垃圾对象。年轻代通常进一步分为Eden区和两个Survivor区。新创建的对象首先放入Eden区，当Eden区满时，不会被回收的对象会被转移到一个Survivor区。当一个Survivor区满时，其中的存活对象会被复制到另一个Survivor区或者老年代。经过多次垃圾回收后依然存活的对象将晋升到老年代。  
年轻代通常采用复制算法（Copying）作为垃圾回收策略，因为新创建的对象的生命周期短暂，复制算法可以更好地利用对象的特点。  
**老年代**：  
老年代是存放存活时间较长的对象的地方，老年代的对象生命周期较长，垃圾回收频率相对较低。对于老年代的垃圾回收，可以采用标记-清除（Mark-Sweep）或者标记-整理（Mark-Compact）等算法。

分代算法通过区分不同代的对象，**针对不同代采取不同的垃圾回收策略**，可以提高垃圾回收效率和系统性能。**年轻代的频繁垃圾回收可以快速回收新创建对象，老年代的较少回收可以减少全局垃圾回收的引发，提高应用程序的响应性**。这种分代垃圾回收策略在大多数的垃圾收集器中都有应用。

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