JAVA的几个垃圾回收器及对应的算法和算法的底层逻辑

原创已于 2024-03-03 09:39:55 修改 · 1.1k 阅读

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#java #算法 #开发语言

于 2024-02-20 13:58:31 首次发布

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本文详细介绍了Java虚拟机中的几种常见垃圾回收器，包括SerialGC、ParallelGC、CMSGC、G1GC、EpsilonGC和ZGCGC，阐述了各自的算法、优缺点以及适用场景。根据应用需求选择合适的垃圾回收器是关键，如单核/多核环境、速度与延迟要求等。

Java 虚拟机 (JVM) 使用垃圾回收器 (GC) 来回收不再使用的对象所占用的内存空间。JVM 提供了多种垃圾回收器，每种都使用不同的算法来进行垃圾回收。

以下是一些常见的 Java 垃圾回收器及其对应的算法：

1. Serial GC:

算法：串行复制算法
特点：简单易行，但效率低下，适用于单核处理器环境

串行复制算法是一种垃圾回收算法，它通过复制对象来回收内存空间。该算法主要包括以下步骤：

1. 标记阶段:

将所有对象标记为白色。
从根对象开始，遍历所有可达的对象，并将它们标记为黑色。
所有未标记的对象都是不可达的，可以被回收。
2. 复制阶段:

创建一个新的内存空间。
将所有黑色对象复制到新的内存空间中。
将旧的内存空间中的所有对象标记为灰色。
将所有灰色对象复制到新的内存空间中。
复制完成后，所有可达对象都将位于新的内存空间中，旧的内存空间中的所有对象都可以被回收。
以下是串行复制算法的底层逻辑:

该算法通过复制对象来回收内存空间。
该算法只会复制可达对象，不可达对象不会被复制。
该算法可以有效地回收内存空间，但会增加应用程序的暂停时间。
串行复制算法具有以下优点:

该算法简单易行，易于实现。
该算法能够有效地回收内存空间。
串行复制算法也有一些缺点:

该算法会增加应用程序的暂停时间。
该算法不适用于大型堆。

2. Parallel GC:

算法：并行复制算法
特点：并行执行垃圾回收，提高效率，适用于多核处理器环境

并行复制算法是一种垃圾回收算法，它通过并行复制对象来回收内存空间。该算法主要包括以下步骤：

1. 标记阶段:

将所有对象标记为白色。
从根对象开始，并行遍历所有可达的对象，并将它们标记为黑色。
所有未标记的对象都是不可达的，可以被回收。
2. 复制阶段:

创建一个新的内存空间。
并行将所有黑色对象复制到新的内存空间中。
将旧的内存空间中的所有对象标记为灰色。
并行将所有灰色对象复制到新的内存空间中。
复制完成后，所有可达对象都将位于新的内存空间中，旧的内存空间中的所有对象都可以被回收。
以下是并行复制算法的底层逻辑:

该算法通过并行复制对象来回收内存空间。
该算法只会复制可达对象，不可达对象不会被复制。
该算法可以有效地回收内存空间，同时减少应用程序的暂停时间。
并行复制算法具有以下优点:

该算法能够并行执行，提高效率。
该算法能够有效地回收内存空间。
该算法比串行复制算法减少了应用程序的暂停时间。
并行复制算法也有一些缺点:

该算法需要额外的线程来进行并行复制，可能会增加应用程序的资源消耗。
该算法不适用于大型堆。

3. CMS GC:

算法：标记-清除算法 + 标记-整理算法
特点：适用于老年代，能够减少内存碎片

标记-清除算法 和 标记-整理算法 都是垃圾回收算法，它们可以相互结合使用来回收内存空间。

标记-清除算法 的底层逻辑如下：

标记阶段:

将所有对象标记为白色。
从根对象开始，遍历所有可达的对象，并将它们标记为黑色。
所有未标记的对象都是不可达的，可以被回收。

清除阶段:

扫描所有对象，回收所有标记为白色（不可达）的对象所占用的内存空间。
标记-整理算法 的底层逻辑如下：

标记阶段:

与标记-清除算法相同。

整理阶段:

将所有黑色对象移动到内存空间的另一部分。
将所有白色对象标记为灰色。
将所有灰色对象移动到黑色对象的后面。
整理完成后，所有黑色对象都将位于内存空间的连续区域中，空闲空间将位于黑色对象的后面。
结合使用

标记-清除算法和标记-整理算法可以结合使用，以提高垃圾回收的效率。

标记-清除算法可以快速回收大部分不可达的对象。
标记-整理算法可以整理内存空间，减少内存碎片。
总结

标记-清除算法 + 标记-整理算法可以有效地回收内存空间。
标记-清除算法可以快速回收大部分不可达的对象。
标记-整理算法可以整理内存空间，减少内存碎片。

4. G1 GC:

算法：基于区域的垃圾回收算法
特点：能够并行回收整个堆，适用于大型堆

基于区域的垃圾回收算法是一种垃圾回收算法，它将堆划分为多个区域，并对每个区域进行单独的垃圾回收。该算法主要包括以下步骤：

1. 区域划分:

将堆划分为多个区域，每个区域具有相同的大小和用途。
例如，可以将堆划分为新生代区域、老年代区域和永久代区域。
2. 对象分配:

当需要分配新的对象时，从年轻区域分配空间。
如果年轻区域空间不足，则将对象分配到老年代区域。
永久代区域用于存储永久存活的对象，不会被垃圾回收。
3. 垃圾回收:

当年轻区域空间不足时，会触发年轻代垃圾回收。
年轻代垃圾回收会回收所有不可达的对象，并将存活的对象晋升到老年代区域。
老年代垃圾回收会回收所有不可达的对象，并将存活的对象移动到老年代区域的另一个区域。
4. 区域合并:

当老年代区域空间不足时，会触发老年代垃圾回收。
老年代垃圾回收会回收所有不可达的对象，并将存活的对象移动到老年代区域的另一个区域。
如果老年代区域的两个区域都满了，则会将它们合并成一个区域。
以下是基于区域的垃圾回收算法的底层逻辑:

该算法将堆划分为多个区域，并对每个区域进行单独的垃圾回收。
该算法可以提高垃圾回收的效率，减少内存碎片。
基于区域的垃圾回收算法具有以下优点:

该算法可以提高垃圾回收的效率，减少内存碎片。
该算法能够并行执行，提高效率。
基于区域的垃圾回收算法也有一些缺点:

该算法需要额外的内存空间来存储区域信息。
该算法可能导致内存碎片，特别是在老年代区域。

5. Epsilon GC:

算法：并行标记-清除算法
特点：适用于新生代，能够快速回收垃圾

并行标记-清除算法是一种垃圾回收算法，它通过并行标记和清除对象来回收内存空间。该算法主要包括以下步骤：

1. 标记阶段:

将所有对象标记为白色。
从根对象开始，并行遍历所有可达的对象，并将它们标记为黑色。
所有未标记的对象都是不可达的，可以被回收。
2. 清除阶段:

并行扫描所有对象，回收所有标记为白色（不可达）的对象所占用的内存空间。
以下是并行标记-清除算法的底层逻辑:

该算法通过并行标记和清除对象来回收内存空间。
该算法只会回收不可达对象，可达对象不会被回收。
该算法可以有效地回收内存空间，同时减少应用程序的暂停时间。
并行标记-清除算法具有以下优点:

该算法能够并行执行，提高效率。
该算法能够有效地回收内存空间。
该算法比串行标记-清除算法减少了应用程序的暂停时间。
并行标记-清除算法也有一些缺点:

该算法需要额外的线程来进行并行标记和清除，可能会增加应用程序的资源消耗。
该算法不适用于大型堆。
以下是一些关于并行标记-清除算法的额外信息:

Epsilon GC 垃圾回收器使用并行标记-清除算法来回收新生代的对象。
ZGC GC 垃圾回收器使用并行标记-清除算法来回收老年代的对象。

6. ZGC GC:

算法：基于色的标记-整理算法
特点：能够在不暂停应用程序的情况下进行垃圾回收，适用于对延迟敏感的应用程序

基于色的标记-整理算法是一种垃圾回收算法，它使用颜色来标记对象，并通过整理内存空间来回收空闲空间。该算法主要包括以下步骤：

1. 标记阶段:

将所有对象标记为白色。
从根对象开始，遍历所有可达的对象，并将它们标记为黑色。
所有未标记的对象都是不可达的，可以被回收。
2. 整理阶段:

将所有黑色对象移动到内存空间的另一部分。
将所有白色对象标记为灰色。
将所有灰色对象移动到黑色对象的后面。
整理完成后，所有黑色对象都将位于内存空间的连续区域中，空闲空间将位于黑色对象的后面。
以下是基于色的标记-整理算法的底层逻辑:

该算法使用颜色来标记对象，以便区分可达对象和不可达对象。
可达对象是指从根对象可以访问到的对象。
不可达对象是指无法从根对象访问到的对象。
该算法通过整理内存空间来回收空闲空间。
整理内存空间是指将所有可达对象移动到内存空间的连续区域中，并将空闲空间移动到可达对象的后面。
基于色的标记-整理算法具有以下优点:

该算法能够有效地回收内存空间。
该算法能够减少内存碎片。
该算法能够并行执行，提高效率。
基于色的标记-整理算法也有一些缺点:

该算法需要额外的内存空间来存储颜色信息。
该算法的整理阶段可能会导致应用程序暂停。