0.3 GC四大算法详解

最新推荐文章于 2024-03-07 19:57:18 发布

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GC四大算法详解
0. 如何判断Java中对象是否存活？
1. 复制算法（Copying）：适用于新生代
- 1.1 原理分析
- 1.2 优缺点
2. 标记清除（Mark-Sweep）：适用于老年代
- 2.1 原理分析
- 2.2 优缺点
3. 标记压缩（Mark-Compact）：适用于老年代
4. 分代收集算法
5. 总结
- 5.1 年轻代（Young Gen）
- 5.2 老年代（Tenure Gen）
6. 附录.常见面试问题
- 6.1 GC四种算法哪个好？
- 6.2 请说出各个垃圾回收算法的优缺点

GC四大算法详解

0. 如何判断Java中对象是否存活？

0.1 引用计数算法
引用计数算法是给每个对象设置一个计数器，当有地方引用这个对象的时候，计数器+1，当引用失效的时候，计数器-1，当计数器为0的时候，JVM就认为该对象不再被使用，是“垃圾”了。
引用计数实现简单，效率高；但是不能解决循环引用问问题（A对象引用B对象，B对象又引用A对象，但是A，B对象已不被任何其他对象引用），同时每次计数器的增加和减少都带来了很多额外的开销，所以在JDK1.1之后，这个算法已经不再使用了。
0.2 根搜索方法
根搜索方法是通过一些GCRoots对象作为起点，从这些节点开始往下搜索，搜索通过的路径成为引用链（ReferenceChain），当一个对象没有被GCRoots的引用链连接的时候，说明这个对象是不可用的。
GCRoots对象包括：
1. 虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中的引用的对象。
2. 方法区域中的类静态属性引用的对象。
3. 方法区域中常量引用的对象。
4. 方法栈中JNI（Native方法）的引用的对象。

1. 复制算法（Copying）：适用于新生代

1.1 原理分析

虚拟机把新生代分为了三部分：1个Eden区和2个Survivor区（分别叫from和to），默认比例为8:1:1。

一般情况下，新创建的对象都会被分配到Eden区（一些大对象特殊处理），这些对象经过第一次Minor GC后，如果仍然存活，将会被移到Survivor区。对象在Survivor区中每熬过一次Minor GC，年龄 +1，当它的年龄增加到一定程度时（默认是 15 ，通过-XX:MaxTenuringThreshold来设定参数），就会被移动到年老代中。

因为新生代中的对象基本都是朝生夕死（被GC回收率90%以上），所以在新生代的垃圾回收算法使用的是复制算法。

复制算法的基本思想就是将内存分为两块，每次只用其中一块（from），当这一块内存用完，就将还活着的对象复制到另外一块上面。

我们来举个栗子，在GC开始的时候，对象只会存在于Eden区和名为from的Survivor区，Survivor中的to区是空的。紧接着进行GC，Eden区中所有存活的对象都会被复制到to，而在from区中，仍存活的对象会根据他们的年龄值来决定去向。年龄达到一定值（默认15）的对象会被移动到老年代中，没有达到阈值的对象会被复制到to区域。经过这次GC后，Eden区和from区已经被清空。这个时候，from和to会交换他们的角色，也就是新的to就是上次GC前的from，新的from就是上次GC前的to。不管怎样，都会保证名为to的Survivor区域是空的。Minor GC会一直重复这样的过程，直到to区被填满，to区被填满之后，会将所有对象移动到老年代中。

在这里插入图片描述

-XX:MaxTenuringThreshold，设置对象在新生代中存活的次数。

因为Eden区对象一般存活率较低，一般的，使用两块10%的内存作为空闲和活动区间，而另外80%的内存，则是用来给新建对象分配内存的。一旦发生GC，将10%的from活动区间与另外80%中存活的Eden区对象转移到10%的to空闲区间，接下来，将之前90%的内存全部释放，以此类推。

1.2 优缺点

* 优点 ：不会产生内存碎片，效率高。
* 缺点 ：耗费内存空间。

如果对象的存活率很高，我们可以极端一点，假设是100%存活，那么我们需要将所有对象都复制一遍，并将所有引用地址重置一遍。复制这一工作所花费的时间，在对象存活率达到一定程度时，将会变的不可忽视。
所以从以上描述不难看出，复制算法要想使用，最起码对象的存活率要非常低才行，而且最重要的是，我们必须要克服50%内存的浪费。

2. 标记清除（Mark-Sweep）：适用于老年代

2.1 原理分析

标记清除算法，主要分成标记和清除两个阶段，先标记出要回收的对象，然后统一回收这些对象，如下图：
在这里插入图片描述

简单来说，标记清除算法就是当程序运行期间，若可以使用的内存被耗尽的时候，GC线程就会被触发并将程序暂停，随后将要回收的对象标记一遍，最终统一回收这些对象，完成标记清理工作接下来便让应用程序恢复运行。

主要进行两项工作，第一项则是标记，第二项则是清除。

标记：从引用根节点开始标记遍历所有的GC Roots，先标记出要回收的对象。
清除：遍历整个堆，把标记的对象清除。

2.2 优缺点

优点：不需要额外的内存空间。
缺点：需要暂停整个应用，会产生内存碎片；两次扫描，耗时严重。

简单来说，它的缺点就是效率比较低（递归与全堆对象遍历），而且在进行GC的时候，需要停止应用程序，这会导致用户体验非常差劲。

而且这种方式清理出来的空闲内存是不连续的，这点不难理解，我们的死亡对象都是随机分布在内存当中，现在把它们清除之后，内存的布局自然会零碎不连续。而为了应付这一点，JVM就不得不维持一个内存的空闲列表，这又是一种开销。并且在分配数组对象的时候，需要去内存寻找连续的内存空间，但此时的内存空间太过零碎分散，因此资源耗费加大。

3. 标记压缩（Mark-Compact）：适用于老年代

3.1 原理分析

简单来说，就是先标记，后整理，如下图所示：
在这里插入图片描述

3.2 优缺点

优点：没有内存碎片。
缺点：需要移动对象的成本，效率也不高（不仅要标记所有存活对象，还要整理所有存活对象的引用地址）。

3.3 标记清除压缩（Mark-Sweep-Compact）

在这里插入图片描述

4. 分代收集算法

当前商业虚拟机都是采用分代收集算法，它根据对象存活周期的不同将内存划分为几块，一般是把Java堆分为新生代和老年代，然后根据各个年代的特点采用最适当的垃圾收集算法。

在新生代中，每次垃圾收集都发现有大批对象死去，只有少量存活，就选用复制算法，而老年代因为对象存活率高，没有额外空间对它进行分配担保，就必须使用标记清除或者标记压缩算法来进行回收。

在这里插入图片描述

5. 总结

5.1 年轻代（Young Gen）

年轻代特点是内存空间相对老年代较小，对象存活率低。

复制算法的效率只和当前存活对象大小有关，因而很适用于年轻代的回收。而复制算法的内存利用率不高的问题，可以通过虚拟机中的两个Survivor区设计得到缓解。

5.2 老年代（Tenure Gen）

老年代的特点是内存空间较大，对象存活率高。

这种情况，存在大量存活率高的对象，复制算法明显变得不合适。一般是由标记清除或者是标记清除与标记整理的混合实现。

（1）标记阶段（Mark）的开销与存活对象的数量成正比。这点上说来，对于老年代，标记清除或者标记整理有一些不符，但可以通过多核/线程利用，对并发、并行的形式提标记效率。
（2）清除阶段（Sweep）的开销与所管理内存空间大小形正相关。但Sweep“就地处决”的特点，回收的过程没有对象的移动。使其相对其他有对象移动步骤的回收算法，仍然是效率最好的。但是需要解决内存碎片问题。
（3）整理阶段（Compact）的开销与存活对象的数据成开比。如上一条所描述，对于大量对象的移动是很大开销的，做为老年代的第一选择并不合适。

基于上面的考虑，老年代一般是由标记清除或者是标记清除与标记整理的混合实现。以虚拟机中的CMS回收器为例，CMS是基于Mark-Sweep实现的，对于对象的回收效率很高。而对于碎片问题，CMS采用基于Mark-Compact算法的Serial Old回收器做为补偿措施：当内存回收不佳（碎片导致的Concurrent Mode Failure时），将采用Serial Old执行Full GC以达到对老年代内存的整理。