Java垃圾回收算法（标记清除、复制、标记整理）详解

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Java垃圾回收算法（标记清除、复制、标记整理）详解

一、引言

在Java编程中，垃圾回收（Garbage Collection，简称GC）是自动内存管理的核心机制。它的主要作用是回收程序中不再使用的对象所占用的内存空间，以避免内存泄漏和内存溢出问题。不同的垃圾回收算法在不同的场景下有着各自的优势和劣势。本文将详细介绍三种常见的Java垃圾回收算法：标记清除、复制和标记整理。

二、标记清除算法（Mark-Sweep）

2.1 基本原理

标记清除算法主要分为两个阶段：标记阶段和清除阶段。

标记阶段：从根对象（如栈中的引用、静态变量等）开始遍历所有可达对象，将这些对象标记为存活对象。在这个过程中，垃圾回收器会沿着引用链去访问所有能被访问到的对象，并给它们打上存活标记。
清除阶段：遍历整个堆内存，将未被标记的对象（即不可达对象，也就是垃圾对象）所占用的内存空间释放掉。

2.2 示例代码及过程示意

public class MarkSweepExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建对象
        Object obj1 = new Object();
        Object obj2 = new Object();

        // obj1 不再被引用，成为潜在的垃圾对象
        obj1 = null;

        // 模拟垃圾回收
        // 标记阶段：从根对象（这里假设是栈中的引用）开始，标记可达对象 obj2
        // 清除阶段：清除未被标记的 obj1 所占用的内存
    }
}

2.3 优缺点

优点：实现简单，不需要额外的空间开销，只是在标记和清除过程中进行简单的标记和内存释放操作。
缺点：会产生大量的内存碎片。随着垃圾回收的不断进行，这些碎片会导致后续分配较大对象时难以找到连续的内存空间，从而可能提前触发更多的垃圾回收操作。

三、复制算法（Copying）

3.1 基本原理

复制算法将可用内存划分为大小相等的两块区域，每次只使用其中一块。当这块内存用完后，就将存活的对象复制到另一块区域中，然后把原来使用的那块内存一次性全部清理掉。之后，交换两块区域的角色，继续使用新的可用区域。

3.2 示例代码及过程示意

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class CopyingExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 模拟一块内存区域
        List<Object> memory1 = new ArrayList<>();
        List<Object> memory2 = new ArrayList<>();

        // 在 memory1 中创建对象
        memory1.add(new Object());
        memory1.add(new Object());

        // 标记存活对象并复制到 memory2
        for (Object obj : memory1) {
            memory2.add(obj);
        }

        // 清空 memory1
        memory1.clear();

        // 现在 memory2 成为新的可用内存区域
    }
}

3.3 优缺点

优点：不会产生内存碎片，因为每次复制都是将存活对象连续地复制到新的区域，保证了内存的连续性。而且复制操作相对简单，效率较高。
缺点：可用内存空间减少了一半，因为需要预留一块同样大小的内存区域用于复制操作，这在一定程度上造成了内存的浪费。

四、标记整理算法（Mark-Compact）

4.1 基本原理

标记整理算法同样分为两个阶段：标记阶段和整理阶段。

标记阶段：和标记清除算法的标记阶段一样，从根对象开始遍历，标记出所有存活的对象。
整理阶段：将所有存活的对象向内存的一端移动，使它们紧凑地排列在一起，然后直接清理掉边界以外的内存空间。

4.2 示例代码及过程示意

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class MarkCompactExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 模拟内存区域
        List<Object> memory = new ArrayList<>();
        memory.add(new Object());
        memory.add(null); // 模拟垃圾对象
        memory.add(new Object());

        // 标记存活对象（这里省略具体标记过程）

        // 整理阶段：将存活对象移到一端
        List<Object> compactedMemory = new ArrayList<>();
        for (Object obj : memory) {
            if (obj != null) {
                compactedMemory.add(obj);
            }
        }

        // 清理剩余空间
        memory = compactedMemory;
    }
}