总结篇(18)---JVM(java虚拟机) (5)垃圾回收算法

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#java #算法 #开发语言

于 2020-11-28 13:24:28 首次发布

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本文深入解析了Java中的垃圾回收（GC）算法，包括基础的GC算法如标记-清除、标记-整理、复制等，以及实际使用的GC算法组合，如串行GC、并行GC、CMS和G1等。详细阐述了每种算法的工作原理、优势和不足。

一、基础的GC算法

第一步，记录所有存活对象

在垃圾收集中有一个叫标记（Marking）的过程专门干这件事。

(1)标记可达对象（Marking Reachable Objects）

首先指定特定对象为GC根节点（Garbage Collection Roots）

       1）当前正在执行的方法的局部变量和输入法
       2）活动线程（Active threads）
       3）内存中所有类的静态字段（static field）
       4）JNI引用
其次，GC遍历内存中整体的对象关系图，从GC根元素开始扫描，到直接引用，以及其他对象（通过对象的属性域）。所有访问到的对象都被标记（marked）为存活对象。

备注：
在标记阶段，需要暂停所有应用线程，以遍历所有对象的引用关系。因为不暂停没法跟踪一直变化的引用关系。这种叫Stop The World pause(全线停顿)。

（2）引用计数（Reference Counting）（不建议使用）

依据被引用的次数来确定对象是否存活，引用次数为0的则会标识为垃圾。
但这种算法有个弊端，就是容易被循环引用（detached cycle）给搞死。任何作用域中都没有引用这些对象，但由于循环引用，导致引用计数一直大于零。

3）三色标记算法

三色标记算法将每个节点归纳分类为三类：白色节点、灰色节点和黑色节点。采用深度优先搜索的策略。

颜色定义	状态转换
白色	初始状态，表示对象未被访问，可能是垃圾。
灰色	对象被访问，但其引用的子对象尚未检查。
黑色	对象及其子对象均被检查，确认为存活。

3-1）算法流程

3-1-1）初始化：所有对象标记为白色，根对象（如全局变量、栈变量）置灰并入队。

3-1-2）标记阶段：

1. 从队列中取出灰色对象，遍历其子对象。
2. 若子对象为白色，则置灰并入队。
3. 处理完成后，当前对象置黑。

3-1-3）回收阶段：标记完成后，白色对象视为不可达，被回收。

3-2）并发修改问题与解决方案

问题场景：黑色对象新增对白色对象的引用（用户程序并发修改），若此时无灰色对象引用该白色对象，会导致误回收（“悬挂引用”）。

解决方案：

写屏障技术：

1. 增量更新（Incremental Update）：当黑色对象插入新引用时，将该引用目标（白色对象）直接标记为灰色，确保后续扫描。

2. 原始快照（Snapshot At The Beginning）：记录修改前的引用关系，标记过程基于旧快照进行，保证一致性。

3-3）实际应用与优化

1. 并发垃圾回收器：如CMS、G1等采用三色标记，结合写屏障处理并发问题。

2. 并行标记优化：多线程并行处理灰色队列，需同步机制避免竞争。

3. 阶段协调：通过颜色状态划分标记阶段，确保逻辑清晰，适合分步或并发执行。

3-4）示例说明

3-4-1）初始状态：对象A（白）引用B（白）、C（白），根引用A。

3-4-2）标记过程：

1. A置灰入队。

2. 处理A时，B、C置灰入队，A置黑。

3. 处理B、C，若无引用则置黑，队列空。

3-4-3）并发修改：若处理A时新增对D（白）的引用，写屏障触发将D置灰，确保后续扫描。

第二步，删除不可达对象。

在不同算法中删除不可达对象略有不同，但总体可分为三类:清除（sweeping）、整理（compacting）和 复制（copying）。

（1）清除（sweep）

Mark and Sweep(标记清除)算法的概念：直接忽略所有垃圾。所有不可达对象占用的内存空间，都被认为是空闲的，因此可以用来分配新对象。

这种算法需要使用空闲表(free-list)，来记录所有的空闲区域，以及每个区域的大小。维护空闲表增加了对象分配时的开销。此外还有一个缺点，明明有很多空闲内存，却可能没有一个区域的大小能够存放需要分配的对象，从而导致分配失败

(2)整理（Compact）

Mark-Sweep-Compact(标记-清除整理算法)，将所有被标记的对象（存活的对象），迁移到内存空间的起始处，消除了标记-清除算法的缺点。

相应的缺点就是GC的暂停时间会增加，因为需要将所有对象复制到另一个地方，然后修改指向这些对象的引用。
有点也很明显，碎片整理后，分配新对象就很简单。
使用这种算法，内存剩余的容量一直是清除的，不会再导致内存碎片问题。
（3）复制（Copy）

Mark and Copy(标记-复制算法)，将所有存活的对象移动到另一个内存空间。

优点是标记和复制可以同时进行。
缺点是需要一个额外的内存空间，来存放所有的存活对象。

二、使用中的GC算法

主要有上述黑体的四种组合方式：

   （1）年轻代和年老代的串行GC(Serial GC)
   （2）年轻代和年老代的并行GC（Parallel GC）
   （3）年轻代的并行GC（Prallel New）+ 老年代的CMS(Concurrent Mark and Sweep)
   （4）G1,负责回收年轻代和年老代

（1）年轻代和年老代的串行GC（Serial GC）

Serial GC对年轻代使用mark-copy(标记-复制)算法，对年老代使用mark-sweep-compact(标记-清除-整理)算法，两者都是单线程的垃圾收集器，不能进行并行处理。

两者都会触发全线暂停（STW）,停止所有的应用线程。
这种GC算法不能充分利用多核CPU,不管多少CPU内核，JVM在垃圾收集时都只能使用单个核心。

（2）年轻代和年老代的并行GC（Parallel GC）

并行垃圾收集器这一组合，在年轻代使用mark-copy(标记-复制)算法，在年老代使用mark-sweep-compact(标记-清除-整理)算法。

年轻代和年老代的垃圾回收都会触发STW事件，暂停所有的应用程序来执行垃圾收集。
两者在执行标记和复制/整理阶段时都使用多个线程，因此得名“（Parallel）”。通过并行执行，使得GC时间大幅减少。

（3）年轻代的并行GC（Parallel New）+年老代的CMS(Concurrent Mark and Sweep)

对年轻代采用并行STW方式的mark-copy(标记-复制)算法，对年老代主要使用并发mark-sweep（标记-清除）算法。

       CMS的设计目的是避免在年老代垃圾收集时出现长时间的卡顿。
       主要通过两种手段来达成此目标：
           1）不对年老代进行整理，而是使用空闲列表（free-list）来管理内存空间的回收。
           2）在mark-and-sweep（标记-清除）阶段的大部分工作和应用线程一起并发执行。
       也就是说，在这些阶段并没有明显的应用线程暂停。
备注：CMS原理在下面补充知识点里有说明。