JVM 常見的垃圾回收算法

1. 前言

本節(jié)主要講解垃圾回收算法，并對每一種算法進(jìn)行講解。垃圾回收算法在垃圾回收器中占據(jù)著十分重要的地位，對本節(jié)內(nèi)容一定要格外重視。本節(jié)主要內(nèi)容如下：

• 標(biāo)記-清除（Mark-Sweep）算法的原理及缺陷，為本節(jié)重點(diǎn)內(nèi)容之一；
• 復(fù)制（coping）算法的原理及缺陷，為本節(jié)重點(diǎn)內(nèi)容之一；
• 標(biāo)記-整理（Mark-Compact）算法的原理及缺陷，為本節(jié)重點(diǎn)內(nèi)容之一；
• 分代收集理論的原理及思想，為本節(jié)重點(diǎn)內(nèi)容之一；

通篇皆為重點(diǎn)內(nèi)容，務(wù)必要用心學(xué)習(xí)。

2. 垃圾回收算法種類

我們先來討論一個(gè)問題，垃圾回收算法有幾種？

如果單純從一些博客或者論壇上的內(nèi)容來說，部分作者會(huì)將垃圾回收分為如下 4 種算法：

• 標(biāo)記-清除（Mark-Sweep）算法；
• 復(fù)制（coping）算法；
• 標(biāo)記-整理（Mark-Compact）算法；
• 分代收集算法。

但是這種分類是不準(zhǔn)確的，準(zhǔn)確來說，垃圾回收只有 3 種算法：

• 標(biāo)記-清除（Mark-Sweep）算法；
• 復(fù)制（coping）算法；
• 標(biāo)記-整理（Mark-Compact）算法。

為什么會(huì)有所謂的“分代收集算法”呢？ 此處我們埋下一個(gè)伏筆，后文中我會(huì)在適當(dāng)?shù)牡胤浇o予解釋。

3. 標(biāo)記-清除（Mark-Sweep）算法

標(biāo)記 - 清除（Mark-Sweep）算法是最基本的算法。

基本概念：標(biāo)記-清除算法就如同它的名字一樣，分為“標(biāo)記”和“清除”兩個(gè)階段：

• 首先標(biāo)記出所有需要回收的對象，這就是標(biāo)記階段；
• 標(biāo)記完成后統(tǒng)一回收所有被標(biāo)記的對象，這就是所謂的清除階段。

缺點(diǎn)：這種算法的不足主要體現(xiàn)在效率和空間。

• 從效率的角度講：標(biāo)記和清除兩個(gè)過程的的效率都不高；
• 從空間的角度講：標(biāo)記清楚后會(huì)產(chǎn)生大量不連續(xù)的內(nèi)存碎片，內(nèi)存碎片太多可能會(huì)導(dǎo)致以后程序運(yùn)行過程中在需要分配較大對象時(shí)，無法找到足夠的連續(xù)內(nèi)存而不得不提前觸發(fā)一次垃圾回收動(dòng)作。

為了更加透徹的理解標(biāo)記-清除（Mark-Sweep）算法，我們來看下如下示意圖，通過直觀的圖形展示，徹底搞懂標(biāo)記-清除（Mark-Sweep）算法。

4. 復(fù)制（coping）算法

Tips：前文提到過，標(biāo)記-清除（Mark-Sweep）算法從效率的角度講，"標(biāo)記"和"清除"兩個(gè)過程的的效率都不高，為了提升效率，我們引出了復(fù)制（coping）算法。

基本概念：復(fù)制算法是為了解決效率問題而出現(xiàn)的，它將可用的內(nèi)存分為兩塊，每次只用其中的一塊，當(dāng)這一塊內(nèi)存用完了，就將還存活著的對象復(fù)制到另外一塊上面，然后再把已經(jīng)使用過的內(nèi)存一次性清理掉。這樣每次只需要對整個(gè)半?yún)^(qū)進(jìn)行內(nèi)存回收，內(nèi)存分配的執(zhí)行過程如下圖所示：

缺點(diǎn)：不過這種算法有個(gè)缺點(diǎn)，內(nèi)存縮小為原來的一半，這樣代價(jià)太高了。

現(xiàn)在的商用模擬機(jī)都采用這種算法來回收新生代，不過研究表明1：1的比例非常不科學(xué)，因此新生代的內(nèi)存被劃分為一塊較大的Eden空間和兩塊較小的Survivor空間，每次使用Eden和其中一塊Survivor。

每次回收時(shí)，將Eden和Survivor中還存活著的對象一次性復(fù)制到另外一塊Survivor空間上，最后清理掉Eden和剛才使用過的Survivor空間。

HotSpot虛擬機(jī)默認(rèn)Eden區(qū)和Survivor區(qū)的比例為8：1，意思是每次新生代中可用內(nèi)存空間為整個(gè)新生代容量的90%。當(dāng)然，我們沒有辦法保證每次回收都只有不多于10%的對象存活，當(dāng)Survivor空間不夠用時(shí)，需要依賴?yán)夏甏M(jìn)行分配擔(dān)保（Handle Promotion）。

5. 標(biāo)記-整理（Mark-Compact）算法

Tips：復(fù)制算法在對象存活率較高的場景下要進(jìn)行大量的復(fù)制操作，效率還是很低。并且每次只使用一半的內(nèi)存空間，資源浪費(fèi)嚴(yán)重。標(biāo)記-整理（Mark-Compact）算法解決了內(nèi)存利用率的問題，并且減少了大量復(fù)制的問題。

根據(jù)老年代的特點(diǎn)，有人提出了另外標(biāo)記-整理（Mark-Compact）算法，標(biāo)記過程與標(biāo)記-整理（Mark-Compact）算法一樣，不過不是直接對可回收對象進(jìn)行整理，而是讓所有存活對象都向一端移動(dòng)，然后清理掉邊界以外的內(nèi)存。標(biāo)記-整理算法的工作過程如圖：

6. 分代清理

問題：我們上文埋下了伏筆，分代清理到底是不是第四種算法呢？

解答：不是，我們通常稱之為分代收集理論，或稱之為分代收集思想。目前虛擬機(jī)基本都采用分代收集理論來進(jìn)行垃圾回收。

分代收集理論結(jié)合了以上的 3 種算法，根據(jù)對象的生命周期的不同將內(nèi)存劃分為幾塊，然后根據(jù)各塊的特點(diǎn)采用最適當(dāng)?shù)氖占惴?。?zhǔn)確的說，分代收集理論就是在不同的內(nèi)存區(qū)域使用不同的算法，它是 以上 3 種算法的使用者。

因此說，分代清理并非是一種單獨(dú)的算法，而是一種收集理論。

7. 小結(jié)

本節(jié)內(nèi)容主要講解了垃圾回收的 3 種算法和分代收集理論。通篇皆為重點(diǎn)掌握內(nèi)容，是垃圾回收的核心知識點(diǎn)。學(xué)習(xí)者可以結(jié)合給出的示意圖進(jìn)行理解，這樣能夠更好地掌握本節(jié)所講的內(nèi)容。