【Jvm】五、垃圾回收器（1）

寻找垃圾算法

引用计数法

引用计数法（Reference Count）会给对象中添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它的时候，计数器的值就 +1 ，当引用失效时，计数器值就 -1 ，计数器的值为 0 的对象不可能在被使用，这个时候就可以判定这个对象是垃圾。

当图中的数值变成0时，这个时候使用引用计数算法就可以判定它是垃圾了，但是引用计数法不能解决一个问题，就是当对象是循环引用的时候，计数器值都不为0，这个时候引用计数器无法通知GC收集器来回收他们，如下图所示：

这个时候就需要使用到我们的根可达算法。

可达性分析

根可达算法（Root Searching）的意思是说从根上开始搜索，当一个程序启动后，马上需要的那些个对象就叫做根对象，所谓的根可达算法就是首先找到根对象，然后跟着这根线一直往外找到那些有用的。常见的GC roots如下：

• 线程栈变量： 线程里面会有线程栈和main栈帧，从这个main() 里面开始的这些对象都是我们的根对象

• 静态变量： 一个class 它有一个静态的变量，load到内存之后马上就得对静态变量进行初始化，所以静态变量到的对象这个叫做根对象

• 常量池： 如果你这个class会用到其他的class的那些个类的对象，这些就是根对象

• JNI： 如果我们调用了 C和C++ 写的那些本地方法所用到的那些个类或者对象

图中的 object5 和object6 虽然他们之间互相引用了，但是从根找不到它，所以就是垃圾，而object8没有任何引用自然而然也是垃圾，其他的Object对象都有可以从根找到的，所以是有用的，不会被垃圾回收掉。

GC Root

GC Roots 是一组必须活跃的引用。用通俗的话来说，就是程序接下来通过直接引用或者间接引用，能够访问到的潜在被使用的对象。GC Roots 包括：

• Java 线程中，当前所有正在被调用的方法的引用类型参数、局部变量、临时值等。也就是与我们栈帧相关的各种引用
• 所有当前被加载的 Java 类
• Java 类的引用类型静态变量
• 运行时常量池里的引用类型常量（String 或 Class 类型）
• JVM 内部数据结构的一些引用，比如 sun.jvm.hotspot.memory.Universe 类
• 用于同步的监控对象，比如调用了对象的 wait() 方法
• JNI handles，包括 global handles 和 local handles

GC Roots 大体可以分为三大类：

• 活动线程相关的各种引用
• 类的静态变量的引用
• JNI 引用

清理垃圾算法

清理垃圾算法又叫内存回收算法。

标记（Mark）

垃圾回收的第一步，就是找出活跃的对象。根据 GC Roots 遍历所有的可达对象，这个过程，就叫作标记。

如图所示，圆圈代表的是对象。绿色的代表 GC Roots，红色的代表可以追溯到的对象。可以看到标记之后，仍然有多个灰色的圆圈，它们都是被回收的对象。

清除（Sweep）

清除阶段就是把未被标记的对象回收掉。

但是这种简单的清除方式，有一个明显的弊端，那就是碎片问题。比如我申请了 1k、2k、3k、4k、5k 的内存。

由于某种原因 ，2k 和 4k 的内存，我不再使用，就需要交给垃圾回收器回收。

这个时候，我应该有足足 6k 的空闲空间。接下来，我打算申请另外一个 5k 的空间，结果系统告诉我内存不足了。系统运行时间越长，这种碎片就越多。在很久之前使用 Windows 系统时，有一个非常有用的功能，就是内存整理和磁盘整理，运行之后有可能会显著提高系统性能。这个出发点是一样的。

复制（Copying）

优点

• 因为是对整个半区进行内存回收，内存分配时不用考虑内存碎片等情况。实现简单，效率较高

不足之处

• 既然要复制，需要提前预留内存空间，有一定的浪费
• 在对象存活率较高时，需要复制的对象较多，效率将会变低

整理（Compact）

其实，不用分配一个对等的额外空间，也是可以完成内存的整理工作。可以把内存想象成一个非常大的数组，根据随机的 index 删除了一些数据。那么对整个数组的清理，其实是不需要另外一个数组来进行支持的，使用程序就可以实现。它的主要思路，就是移动所有存活的对象，且按照内存地址顺序依次排列，然后将末端内存地址以后的内存全部回收。

但是需要注意，这只是一个理想状态。对象的引用关系一般都是非常复杂的，我们这里不对具体的算法进行描述。你只需要了解，从效率上来说，一般整理算法是要低于复制算法的。

扩展回收算法

https://juejin.cn/post/6896035896916148237

目前JVM的垃圾回收器都是对几种朴素算法的发扬光大（没有最优的算法，只有最合适的算法）：

• 复制算法（Copying）：复制算法是所有算法里面效率最高的，缺点是会造成一定的空间浪费
• 标记-清除（Mark-Sweep）：效率一般，缺点是会造成内存碎片问题
• 标记-整理（Mark-Compact）：效率比前两者要差，但没有空间浪费，也消除了内存碎片问题

标记清除（Mark-Sweep）

首先从 GC Root 开始遍历对象图，并标记（Mark）所遇到的每个对象，标识出所有要回收的对象。然后回收器检查堆中每一个对象，并将所有未被标记的对象进行回收。

不足之处

• 标记、清除的效率都不高
• 清除后产生大量的内存碎片，空间碎片太多会导致在分配大对象时无法找到足够大的连续内存，从而不得不触发另一次垃圾回收动作

标记整理（Mark-Compact）

与标记清除算法类似，但不是在标记完成后对可回收对象进行清理，而是将所有存活的对象向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存。

优点

• 消除了标记清除导致的内存分散问题，也消除了复制算法中内存减半的高额代价

不足之处

• 效率低下，需要标记所有存活对象，还要标记所有存活对象的引用地址。效率上低于复制算法

标记复制（Mark-Coping）

标记-复制算法将内存分为两块相同大小的区域（比如新生代的Survivor区），每次在其中一块区域分配元素，当这块区域内存占满时，就会将存活下来的元素复制到另一块内存区域并清空当前内存区域。

• 缺点：浪费一半的内存空间
• 优点：简单高效

JVM在Eden区保存新对象，在GC时，将Eden和Survivor中存活对象复制到Survivor的另一个分区。这是JVM对复制算法的一个优化。只浪费了1/10的内存空间【JVM的Eden区和Survivor区的比例为 8:2】

分代收集（Generational Collection）

分代收集就是根据对象的存活周期将内存分为新生代和老年代。

• 新生代对象“朝生夕死”，每次收集都有大量对象（99%）死去，所以可以选择标记-复制算法，只需要付出少量对象的复制成本就可以完成每次垃圾收集
• 老年代对象生存几率比较高，存活对象比较多，如果选择复制算法需要付出较高的IO成本，而且没用额外的空间可以用于复制，此时选择标记-清除或者标记-整理就比较合理

研究表明大部分对象可以分为两类：

• 大部分对象的生命周期都很短
• 其他对象则很可能会存活很长时间

根据对象存活周期的不同将内存划分为几块。对不同周期的对象采取不同的收集算法：

• 新生代：每次垃圾收集会有大批对象回收，所以采取复制算法
• 老年代：对象存活率高，采取标记清理或者标记整理算法

① 年轻代（Young Generation）

年轻代使用的垃圾回收算法是复制算法。因为年轻代发生 GC 后，只会有非常少的对象存活，复制这部分对象是非常高效的。但复制算法会造成一定的空间浪费，所以年轻代中间也会分很多区域。

如图所示，年轻代分为：1个伊甸园空间（Eden ），2个幸存者空间（Survivor ）。当年轻代中的 Eden 区分配满的时候，就会触发年轻代的 GC（Minor GC）。具体过程如下：

• 在 Eden 区执行了第一次 GC 之后，存活的对象会被移动到其中一个 Survivor 分区（以下简称from）
• Eden 区再次 GC，这时会采用复制算法，将 Eden 和 from 区一起清理。存活的对象会被复制到 to 区，然后只需要清空 from 区就可以了

在这个过程中，总会有1个 Survivor 分区是空置的。Eden、from、to 的默认比例是 8:1:1，所以只会造成 10% 的空间浪费。这个比例，是由参数 -XX:SurvivorRatio 进行配置的（默认为 8）。

② 老年代（Old/Tenured Generation）

老年代一般使用“标记-清除”、“标记-整理”算法，因为老年代的对象存活率一般是比较高的，空间又比较大，拷贝起来并不划算，还不如采取就地收集的方式。对象进入老年代的途径如下：

• 提升（Promotion）

  如果对象够老，会通过“提升”进入老年代

• 分配担保

  年轻代回收后存活的对象大于10%时，因Survivor空间不够存储，对象就会直接在老年代上分配

• 大对象直接在老年代分配

  超出某个大小的对象将直接在老年代分配

• 动态对象年龄判定

  有的垃圾回收算法，并不要求 age 必须达到 15 才能晋升到老年代，它会使用一些动态的计算方法。

  比如，如果幸存区中相同年龄对象大小的和，大于幸存区的一半，大于或等于 age 的对象将会直接进入老年代。