JVM（四、垃圾回收算法）_java 中有哪些垃圾回收算法?-优快云博客

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1、概述

垃圾回收的三个问题：

哪些内存需要回收？
什么时候回收？
如何回收？

在运行时数据区我们有了解到内存区域分为线程共享的线程独立的，程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈3个区域随线程而生，随线程而灭，所以当方法结束或者线程结束时，内存自然会回收。

Java堆和方法区这两个区域有着不确定性，这部分内存的分配和回收时动态的，垃圾回收期所关注的也是这部分内存该怎么管理。

2、哪些内存需要回收

2.1、对象已死？

垃圾回收器在对堆回收之前就要确定哪些内存需要回收，哪些内存需要被回收要判断在此内存上的对象时候已经死亡，死亡的对象不可能再被使用。

2.1.1、引用计数法

引用计数法是再对象中添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器加一，当引用失效时，计数器减一。当计数器为0时，对象被视为死亡。

好处：原理简单、判定效率高。

坏处：很难解决一些特殊情况，比如相互引用的情况，两个对象相互引用，但又不被其他对象引用。

2.1.2、可达性分析算法

可达性分析算法：通过定义的一些GC Roots作为对象的起始节点集，根据引用关系向下搜索，搜索过的路径成为“引用链”，如果一个对象到GC Roots之间没有任何引用链相连，对象被视为死亡。

GC Roots：

虚拟机栈中的引用对象，线程中使用到的参数、局部变量、临时变量
方法区中类静态属性引用的对象，引用类型静态变量
方法区中常量引用的对象，字符串常量池的引用
本地方法栈引用的对象
Java虚拟机内部的引用
被synchronized持有的对象
其他

2.1.3、引用

在JDK1.2之后，Java对引用的概念进行了扩充，引用分为4种：

强引用：传统的引用概念，最常见的引用赋值，只要强引用还在就不会被回收
软引用：还有用但非必须的对象，在系统要发生OOM之前，会回收这部分内存
弱引用：非必须的对象，比软引用更弱一点，下次垃圾回收就会被回收
虚引用：最弱的一种引用关系，只是为了能在这个对象被回收时收到一个系统通知

3、垃圾回收算法

3.1、分代收集理论

弱分代假说：绝大多数对象都是朝生夕灭的

强分代假说：熬过越多次垃圾回收器过程的对象就越难以消亡。

Java堆之所以分为新生代、年轻代、老年代，就是因为分代收集理论，每个区域所适用的垃圾回收算法也有所不同。

部分收集：目标不是收集整个Java堆，部分收集又分为：

新生代收集（Minor GC/Young GC）：只收集新生代的垃圾。

老年代收集（Major GC/Old GC）：只收集老年代的垃圾。目前只有CMS收集器会有单独的老年代收集行为。

混合收集（Mixed GC）：收集整个新生代和部分老年大的垃圾，目前只有G1会有这种行为

整堆收集（Full GC）收集整个Java堆和方法区的垃圾。

3.2、标记-清除算法

最早出现，也是最基础的垃圾回收算法，分为标记和清除两个阶段，首先标记出所有需要回收的对象，然后统一回收被标记的对象。后续很多收集算法都是以标记-清除算法为基础。

缺点：

执行效率不稳定，执行效率取决于要回收对象的数量，如果大部分需要回收，就必须进行大量的标记和清除动作
内存空间会出现碎片化。

3.3、标记-复制算法

标记复制算法解决了回收效率不稳定的问题，将可用的内存划分为大小相等的两块，当垃圾回收时，把存活的对象复制到另一半，这一半上的内存全部回收。

缺点：空间浪费太多。

现在的商用Java虚拟机大多都优先采用了这种收集算法去回收新生代，IBM公司曾有一项专门研究对新生代“朝生夕灭”的特点做了更量化的诠释——新生代中的对象有98%熬不过第一轮收集。

根据这个研究，提出了一种更优化的半区复制分代策略，现在称为“Appel式回收”。HotSpot虚拟机的Serial、ParNew等新生代收集器均采用了这种策略来设计新生代的内存布局[1]。Appel式回收的具体做法是把新生代分为一块较大的Eden空间和两块较小的Survivor空间，每次分配内存只使用Eden和其中一块Survivor。发生垃圾搜集时，将Eden和Survivor中仍然存活的对象一次性复制到另外一块Survivor空间上，然后直接清理掉Eden和已用过的那块Survivor空间。HotSpot虚拟机默认Eden和Survivor的大小比例是8∶1，也即每次新生代中可用内存空间为整个新生代容量的90%（Eden的80%加上一个Survivor的10%），只有一个Survivor空间，即10%的新生代是会被“浪费”的。

如果survivor空间不够容纳存活的对象怎么办？因此Appel式回收还有一个充当罕见情况的“逃生门”的安全设计，当Survivor空间不足以容纳一次Minor GC之后存活的对象时，就需要依赖其他内存区域（实际上大多就是老年代）进行分配担保（Handle Promotion）。如果另外一块Survivor空间没有足够空间存放上一次新生代收集下来的存活对象，这些对象便将通过分配担保机制直

接进入老年代。

3.4、标记-整理算法

标记整理算法标记过程和标记复制是一样的，但后续不对可回收对象直接清理，而是让所有存活的对象移动到内存空间的一端。

缺点：Stop The World，必须暂停用户应用来移动存活对象。

4、 HotSpot的算法细节实现

4.1、根节点枚举

第二节说到了可达性分析算法，可达性分析首先需要先找到GC Root，根节点枚举就是找GC Root。根节点枚举必须事在一个能保障一致性的快照中执行，所以一定会出现停顿所有用户线程的情况。

在HotSpot的解决方案里，是使用一组称为OopMap的数据结构来达到这个目的。一旦类加载动作完成的时候，HotSpot就会把对象内什么偏移量上是什么类型的数据计算出来，在即时编译过中，也会在特定的位置记录下栈里和寄存器里哪些位置是引用。这样收集器在扫描时就可以直接得知这些信息了，并不需要真正一个不漏地从方法区等GC Roots开始查找。

4.2、安全点

在OopMap的协助下，HotSpot可以快速准确地完成GC Roots枚举，但一个很现实的问题随之而来：可能导致引用关系变化。所以HotSpot只是在“特定的位置”记录OopMap。这些位置被称为安全点。

如何在垃圾收集发生时让所有线程（这里其实不包括执行JNI调用的线程）都跑到最近的安全点，然后停顿下来？

抢先式中断：抢先式中断不需要线程的执行代码主动去配合，在垃圾收集发生时，系统首先把所有用户线程全部中断，如果发现有用户线程中断的地方不在安全点上，就恢复这条线程行，让它一会再重新中断，直到跑到安全点上。现在几乎没有虚拟机实现采用抢先式中断来暂停线程响应GC事件。
主动式中断：当垃圾收集需要中断线程的时候，不直接对线程操作，仅仅简单地设置一个标志位，各个线程执行过程时会不停地主动去轮询这个标志，一旦发现中断标志为真时就自己在最
近的安全点上主动中断挂起。

4.3、安全区域

安全区域是指能够确保在某一段代码片段之中，引用关系不会发生变化，因此，在这个区域中任意地方开始垃圾收集都是安全的。我们也可以把安全区域看作被扩展拉伸了的安全点。

当用户线程执行到安全区域里面的代码时，首先会标识自己已经进入了安全区域，那样当这段时间里虚拟机要发起垃圾收集时就不必去管这些已声明自己在安全区域内的线程了。当线程要离开安全

区域时，它要检查虚拟机是否已经完成了根节点枚举（或者垃圾收集过程中其他需要暂停用户线程的阶段），如果完成了，那线程就当作没事发生过，继续执行；否则它就必须一直等待，直到收到可以离开安全区域的信号为止。

4.4、记忆集与卡表

记忆集是一种用于记录从非收集区域指向收集区域的指针集合的抽象数据结构。主要为了解决对象跨代引用带来的问题。

字长精度：每个记录精确到一个机器字长（就是处理器的寻址位数，如常见的32位或64位，这个精度决定了机器访问物理内存地址的指针长度），该字包含跨代指针。
对象精度：每个记录精确到一个对象，该对象里有字段含有跨代指针。
卡精度：每个记录精确到一块内存区域，该区域内有对象含有跨代指针。

第三种“卡精度”所指的是用一种称为“卡表”（Card Table）的方式去实现记忆集。

4.5、写屏障

在HotSpot虚拟机里是通过写屏障（Write Barrier）技术维护卡表状态的。

4.6、并发可达性分析

三色标记法：

白色：表示对象尚未被垃圾收集器访问过。显然在可达性分析刚刚开始的阶段，所有的对象都是白色的，若在分析结束的阶段，仍然是白色的对象，即代表不可达。
黑色：表示对象已经被垃圾收集器访问过，且这个对象的所有引用都已经扫描过。黑色的对象代表已经扫描过，它是安全存活的，如果有其他对象引用指向了黑色对象，无须重新扫描一遍。黑色对象不可能直接（不经过灰色对象）指向某个白色对象。
灰色：表示对象已经被垃圾收集器访问过，但这个对象上至少存在一个引用还没有被扫描过。