JVM 标记-整理算法详解

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于 2024-12-07 15:17:44 发布

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分类专栏： java 文章标签： jvm 算法 GC 标记-整理

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JVM 标记-整理算法详解

在 Java 虚拟机 (JVM) 中，垃圾回收（Garbage Collection, GC）是一项自动化的内存管理机制，负责清理不再使用的对象，从而释放内存资源。**标记-整理算法（Mark-Sweep）**是垃圾回收的一种经典算法，它结合了标记和整理两个过程，用于管理堆内存中的对象。

1. 标记-整理算法的基本概念

标记-整理算法是标记-清除算法（Mark-Sweep）的改进，它解决了标记-清除算法中存在的内存碎片问题。这个算法分为两个主要阶段：

标记阶段（Mark Phase）：扫描所有对象，标记那些被引用的（存活的）对象。
整理阶段（Sweep Phase）：回收所有未被标记的垃圾对象，并将存活的对象整理到堆的一个连续区域，消除内存碎片。

2. 标记-整理算法的工作原理

2.1 标记阶段

在标记阶段，垃圾回收器会遍历堆中的所有对象，从根对象（GC Roots）出发，标记所有可达的对象。

GC Roots：GC Roots 是一组可以直接访问的对象，包括：
- 当前线程栈中的局部变量
- 静态变量
- 活动的线程等

通过从 GC Roots 出发，垃圾回收器会遍历对象图，标记所有从 GC Roots 可达的对象为“存活”的对象。未被标记的对象则是垃圾对象（即不再被任何活动对象引用的对象）。

2.2 整理阶段

在整理阶段，垃圾回收器会：

回收所有未被标记的对象，即垃圾对象。
将存活的对象压缩到堆的一端，释放出一块连续的内存区域。

通过这种整理方式，标记-整理算法消除了内存碎片的问题，因为存活对象被整理到内存的一端，空闲内存集中在一起，避免了碎片化。

2.3 关键步骤

标记：从 GC Roots 出发，标记所有可达的对象为“存活”对象。
清理：清理所有未标记的对象，即那些不再被任何对象引用的垃圾对象。
压缩：将存活的对象移动到堆的一端，释放出一块大的连续空闲内存区域。

3. 标记-整理算法的优缺点

3.1 优点

避免内存碎片：通过整理阶段的内存压缩，标记-整理算法能够有效避免内存碎片问题。
简化了内存管理：与标记-清除算法相比，标记-整理算法通过压缩内存，简化了后续的内存管理，避免了堆中不连续的空闲内存块。

3.2 缺点

性能开销大：整理阶段需要遍历所有的对象并进行移动操作，这会导致较长的停顿时间，尤其是在堆较大时。整理操作可能带来较高的性能开销。
停顿时间长：由于垃圾回收过程的标记和整理阶段需要暂停应用程序的执行，尤其是在大量对象需要整理的情况下，停顿时间会变得较长。

4. 与标记-清除算法的对比

标记-清除算法（Mark-Sweep）是垃圾回收中最基本的算法，它的工作流程是先标记所有存活对象，然后清除掉未标记的垃圾对象。这个过程的主要问题是内存碎片，即存活对象之间会有许多不连续的空闲空间。

而标记-整理算法则通过在清除垃圾对象后，将存活对象压缩到堆的一个连续区域，从而避免了内存碎片的问题。

标记-清除算法：
- 优点：算法简单，回收速度快。
- 缺点：存在大量内存碎片，长期运行可能导致内存效率低下。
标记-整理算法：
- 优点：通过整理操作避免了内存碎片问题。
- 缺点：整理阶段可能导致较高的性能开销和较长的停顿时间。

5. JVM 中的实现

JVM 中使用的垃圾回收器常常采用标记-整理算法或它的变种。例如，CMS（Concurrent Mark-Sweep）垃圾回收器就是结合了标记-清除和标记-整理算法的特性。CMS 中的 标记-清除算法 用于进行初步标记和清除操作，而后续的整理阶段则会进行内存压缩，从而有效减少内存碎片。

5.1 标记-整理算法在不同 GC 中的应用

Serial Garbage Collector：在小型应用或单核处理器中常用，通常采用 标记-整理算法，因为该算法简单且易于实现。
CMS（Concurrent Mark-Sweep）：CMS 是一种并发垃圾回收器，它结合了标记-清除和标记-整理算法，在多线程环境中提供了较好的性能。在 CMS 中，标记阶段和整理阶段是并发执行的，尽量减少了停顿时间。

5.2 GC Roots 和标记-整理

在 JVM 中，GC Roots 是进行垃圾回收的根基，它们是不可被回收的对象，所有从 GC Roots 可达的对象都是存活的。因此，标记-整理算法的关键步骤之一就是确定 GC Roots，从这些根对象开始，逐步标记并识别所有可达对象。

6. 标记-整理算法的优化

为了减少标记-整理算法中的性能问题和停顿时间，JVM 提供了多种优化技术：

并行标记和清理：在多核处理器环境下，垃圾回收的标记和清理阶段可以并行执行，从而减少停顿时间。
增量整理：在整理阶段，垃圾回收器可以将整理过程拆分为多个小的阶段，分多次进行，从而避免长时间的停顿。
分代收集：JVM 通常将堆内存划分为年轻代和老年代，采用不同的垃圾回收策略。年轻代通常使用快速的 复制算法，而老年代可能使用 标记-整理算法 来避免内存碎片。

7. 总结

标记-整理算法（Mark-Sweep）是 JVM 垃圾回收中的一种经典算法，它通过标记存活对象并整理内存来解决内存碎片问题。尽管它有效避免了内存碎片，但整理阶段的性能开销和停顿时间仍然是该算法的主要缺点。JVM 在实际应用中，通常会结合其他优化技术和算法（如并行标记、增量整理等）来减轻这些缺点，从而提高系统性能和稳定性。