JVM 之 垃圾收集算法详解

一、标记清楚算法

标记清除是一种简单而直接的垃圾回收算法。它的执行流程如下：当JVM标记出内存中的垃圾对象后，直接将其清除。然而，这种算法存在一个明显的缺点，即会导致内存空间的不连续，从而产生大量的内存碎片。

下图展示了标记清除算法执行后的内存空间示意图：

这里我们使用左侧的图来表示垃圾回收之前的内存状况，其中黄色区域表示可以被回收的垃圾对象。

这些对象在内存空间中不是连续的。

右侧的图表示垃圾回收后的内存情况，可以清楚地看到其中存在着断断续续的内存碎片。

然而，尽管垃圾已经被回收，但内存碎片仍然存在。你可能会问，那又有什么关系呢？毕竟内存碎片就是内存碎片嘛。

这里假设这些内存碎片所占用的总空间为1M，现在我们需要创建一个大小为1M的新对象。然而，不幸的是，尽管内存空间的总大小为1M，但并不是连续的。因此，我们无法将这个大对象存放在内存中。换句话说，这种情况必然导致内存空间的浪费，这就是内存碎片的危害。

如下图所示：

🎉优点：🎉

• 高效：垃圾回收不需要移动和复制对象。

🎉缺点：🎉

• 内存碎片：垃圾回收过程会导致内存碎片的产生，从而造成内存的浪费。

二、标记复制算法

由于标记清楚算法会产生大量的内存空间碎片问题，所以产生了标记复制算法：

复制算法是一种改进的垃圾回收算法，其工作原理如下：

首先将内存划分为两个区域。

新创建的对象都放在其中一块内存区域上。当该区域快要满的时候，就将被标记为存活的对象复制到另一块内存区域中（注意，这些对象在复制时在内存空间上是严格排序且连续的），这样就腾出了一半内存区域，使其变成了空闲空间。

然后，将所有的引用指向新的内存区域，并且清除原来的内存区域。这个过程不断循环运行。

在回收之前，将被标记为存活的对象复制到另一块内存区域。然后，回收垃圾对象，使其变成空闲空间，最终会变成下图：

如果再有新对象被创建，它将会被放置在右边的内存区域。当右边的内存区域满了之后，存活的对象会被复制到左边的内存区域，然后清除掉垃圾对象。

标记-复制算法的明显缺点是浪费了一半的内存空间，但优点是不会产生内存碎片。因此，在技术发展中常常会面临一个矛盾的抉择，即引入新技术必然会带来新问题。

到这里，我们来简单总结一下标记-复制算法的优缺点：

🎉优点：🎉

• 内存空间是连续的，不会产生内存碎片

🎉缺点：🎉

• 浪费了一半的内存空间
• 复制对象会导致性能和时间的消耗。

三、标记整理算法

标记-整理算法是综合了标记-清除算法和标记-复制算法的特点，并进行了演化而来的。

它的执行流程可以分为两个阶段：🎃标记阶段和整理阶段🎃

标记阶段： 与标记-清除算法相同，首先遍历GC Roots，并标记所有存活的对象。

整理阶段： 移动所有存活的对象，按照内存地址的次序依次排列，然后回收末端内存地址以后的内存空间。因此，第二阶段被称为整理阶段。

下面这张图是垃圾回收前的示意图：

下图表示的是标记-整理算法的第一阶段：标记并清除垃圾对象，同时标记出存活对象

接下来，来到第二阶段，整理碎片：

可以看到，通过标记-整理算法，我们既解决了内存碎片的问题，又充分利用了内存空间，避免了浪费。

然而，标记-整理算法在执行标记和整理的过程中会消耗大量的时间，尤其是在高并发的场景下，这可能会导致性能低下。

综上所述，标记-整理算法的优点是不会产生内存碎片和浪费内存空间，但缺点是执行时间较长，性能较低。

四、不同垃圾收集算法优缺点总结

1. 标记-清除算法：

优点：

• 不会产生内存碎片。
• 可以在有限的空间中进行垃圾回收。

缺点：

• 执行效率相对较低，因为需要遍历整个堆来标记和清除垃圾对象。
• 可能会导致内存碎片问题，因为垃圾对象所占用的空间无法被重用。

2. 标记-复制算法：

优点：

• 不会产生内存碎片。
• 执行效率相对较高，因为只需要遍历存活对象进行复制。

缺点：

• 浪费了一半的内存空间，因为需要将存活对象复制到另一半空闲的内存区域。
• 当存活对象较多时，复制的开销会增加。

3. 标记-整理算法：

优点：

• 不会产生内存碎片。
• 可以充分利用内存空间，避免浪费。
• 相对于标记-清除算法，整理过程可以提高内存分配的效率。

缺点：

• 执行效率较低，因为需要进行标记和整理的过程。
• 当存活对象较多时，整理的开销会增加。

🎈从时间长短的角度来看🎈 ：标记-清除算法的执行时间较短，优于标记-复制算法，而标记-整理算法的执行时间最长。

🎈从结果来看🎈：标记-整理算法的效果稍逊于标记-复制算法，但优于标记-清除算法。

✨综合而言，可以得出以下结论：✨，不同的垃圾回收算法有各自的优缺点，选择合适的算法需要根据具体的场景和需求来决定。