垃圾收集算法详解

1. 垃圾收集算法 类型

垃圾收集算法 类型 分为4类

1. 标记-清除算法
2. 复制算法
3. 标记整理算法
4. 分代收集算法

2. 标记-清除 算法

这是 垃圾收集算法中 最最基础的算法。

2.1 算法思想

算法分为两个阶段：

1. 标记阶段：标记出所有需要回收的对象；
2. 清除阶段：统一清除（回收）所有被标记的对象。

下面主要讲解标记阶段。标记阶段主要分为：（先进行可达性分析）

1. 第一次标记 & 筛选
2. 第二次标记 & 筛选

a. 可达性分析

略

b. 第一次标记 & 筛选

1. 方式描述

对象 在 可达性分析中 被判断为不可达后，会被第一次标记 & 筛选

a. 不筛选 = 继续留在 ”即将回收“的集合里，准备被回收 b. 筛选 = 从 ”即将回收“的集合取出

1. 筛选的标准

该对象是否有必要执行 finalize()方法

1. 若有必要执行（人为设置），则筛选出来，进入下一阶段：第二次标记 & 筛选；
2. 若没必要执行，判断该对象死亡，不筛选 并等待回收

当对象无 finalize()方法 或 finalize()已被虚拟机调用过，则视为“没必要执行”

c. 第二次标记 & 筛选

当对象经过了第一次的标记 & 筛选，会被进行第二次标记，并被进行 筛选

1. 方式描述

该对象会被放到一个 F-Queue 队列中，并由 虚拟机自动建立、优先级低的 Finalizer 线程去执行 队列中该对象的 finalize()

1. finalize()只会被执行一次
2. 但并不承诺等待finalize()运行结束。这是为了防止 finalize()执行缓慢 / 停止 使得 F-Queue队列其他对象永久等待。

1. 判断标准

在执行finalize()过程中，若对象依然没与引用链上的GC Roots 直接关联 或 间接关联（即关联上与GC Roots 关联的对象），那么该对象将被判断死亡，不筛选（留在”即将回收“集合里） 并 等待回收

总结

2.2 优点

算法简单、实现简单

2.3 缺点

• 效率问题：即 标记和清除 两个过程效率不高
• 空间问题：标记 - 清除后，会产生大量不连续的内存碎片。

这导致 以后程序 需要分配较大空间对象时 无法找到足够大的连续内存 而被迫 触发另外一次垃圾收集行为，这导致非常浪费资源。

下面继续介绍的算法就是为了解决上述两个问题的。

2.4 应用场景

对象存活率较低 & 垃圾回收行为频率低 的场景

如老年代区域，因为老年代区域回收频次少、回收数量少，所以对于效率问题 & 空间问题不会很明显。

3. 复制算法

该算法的出现是为了解决 标记-清除算法中 效率 & 空间问题的。

3.1 算法思想

• 将内存分为大小相等的两块，每次使用其中一块；
• 当 使用的这块内存 用完，就将 这块内存上还存活的对象 复制到另一块还没试用过的内存上
• 最终将使用的那块内存一次清理掉。

3.2 优点

1. 解决了标记-清除算法中 清除效率低的问题

每次仅回收内存的一半区域

1. 解决了标记-清除算法中 空间产生不连续内存碎片的问题

将已使用内存上的存活对象 移动到栈顶的指针，按顺序分配内存即可。

3.3 缺点

1. 每次使用的内存缩小为原来的一半。
2. 当对象存活率较高的情况下需要做很多复制操作，即效率会变低

3.4 应用场景

对象存活率较低 & 需要频繁进行垃圾回收 的区域

如新生代区域

3.5 特别注意

a. 背景

新生代区域在进行垃圾回收时，98%对象都必须得回收

b. 问题

复制算法中 每次使用的内存缩小为原来的一半 利用率低 & 代价太高

c. 解决方案

• 不 按 1：1的比例 划分内存，而是 按8：1：1比例 将内存划分为一块较大的 Eden 和两块较小的 Survivor 区域（From Survivor、To Survivor）

新生代内存区域划分

• 每次使用Eden、From Survivor区域；
• 用完后就 将上述两块区域存活的对象 复制到To Survivor区域上
• 最终一次清理掉Eden、From Survivor区域

使用逻辑 同 改进前

很多同学会问，假如 Eden、From Survivor区域上存活对象所需内存大小 > To Survivor区域怎么办？

解决方案：依赖老年代内存区域 做 内存分配担保。

即To Survivor区域 存不下来的对象 会通过 内存分配担保机制 暂时保存在老年代

4. 标记 - 整理 算法

此算法类似于第一种标记 - 清除 算法，只是在中间加多了一步：整理内存。

4.1 算法思路

算法分为三个阶段：

• 标记阶段：标记出所有需要回收的对象；
• 整理阶段：让所有存活的对象都向一端移动
• 清除阶段：统一清除（回收）端以外的对象。

4.2 优点

• 解决了标记-清除算法中 清除效率低的问题：一次清楚端外区域
• 解决了标记-清除算法中 空间产生不连续内存碎片的问题：将已使用内存上的存活对象 移动到栈顶的指针，按顺序分配内存即可。

4.3 应用场景

对象存活率较低 & 垃圾回收行为频率低 的场景

如老年代区域，因为老年代区域回收频次少、回收数量少，所以对于效率问题 & 空间问题不会很明显。

5. 分代收集算法

主流的虚拟机基本都采用该算法，下面会着重讲解。

5.1 算法思路

• 根据 对象存活周期的不同 将 Java堆内存 分为：新生代 & 老年代 。分配比例如下：

• 根据 两块区域特点 选择 对应的垃圾收集算法（即上面介绍的算法），具体细节请看下图

5.2 具体存储过程

1. 新建的对象 一般会被优先分配到新生代的Eden区、From Survivor区

大对象（如很长的字符串以及数组）会直接分配到老年代，这是为了避免在 Eden 区 和 Survivor区之间发生大量的内存复制（因为新生代会采用复制算法进行垃圾收集）

1. 这些对象经过第一次 Minor GC后，若仍然存活，将会被移到To Survivor区

一次清理掉Eden、From Survivor区域

1. 在 To Survivor 区每经过一轮 Minor GC ，该对象的年龄就+1
2. 当对象年龄达到一定时(阈值默认=15)，就会被移动到老年代。

• 即新生代的对象在存活一定时间后，会被移动存储到老年代区域。
• 还有一种 新生代对象被移懂到老年代区域 的情况是：动态对象年龄判定。即如果在Survivor区中 所有相同年龄对象的大小总和 大于 Survivor区内存大小一半时，所有大于或等于该年龄的对象都会直接进入老年代。

特别注意

From Survivor 和 To Survivor之间会经常互换角色。

每次发生GC时，把Eden区和 From Survivor区中 存活且没超过年龄阈值的对象 复制到To Survivor区中（此时To Survivor变成了From Survivor），然后From Survivor清空（此时From Survivor变成了To Survivor）

5.2 优点

效率高、空间利用率高

根据不同区域特点 选择 不同的垃圾收集算法

5.3 应用场景

现在主流的虚拟机基本都采用 分代收集算法 ，即根据不同区域特点选择不同垃圾收集算法。

1. 新生代 区域：采用 复制算法
2. 老年代 区域：采用 标记-清除 算法、标记 - 整理 算法

6. 总结

用一张图总结上述4个垃圾收集算法

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