jvm垃圾回收算法详解

前言

相比C语言，JVM虚拟机一个优势体现在对对象的垃圾回收上，JVM有一套完整的垃圾回收算法，可以对程序运行时产生的垃圾对象进行及时的回收，以便释放JVM相应区域的内存空间，确保程序稳定高效的运行，但在真正了解垃圾回收算法之前，有必要对JVM的对象的引用做一个简单的铺垫

JVM对象可达性分析算法

Java虚拟机中的垃圾回收器采用可达性分析来探索所有存活的对象
扫描堆中的对象，看是否能够沿着GC Root对象为起点的引用链找到该对象，找不到表示可以被回收

想象一下，对象在什么情况下会被认为是垃圾对象呢？

当一个对象没有被任何引用了，就认为对象无用了（如图一）
当一组对象没有被任何引用了，可以认为这组对象无用了（如图二）

下面通过一段简单的程序代码，在不同的时刻导出dump日志，利用MAT分析工具来说明下这个问题

public static void main(String[] args) throws Exception{List<Object> list1 = new ArrayList<>();list1.add("aaa");list1.add("bbb");System.out.println(1);System.in.read();list1 = null;System.out.println(1);System.in.read();System.out.println("end");}

运行程序，利用下面的命令导出两个时刻的dump文件

map -dump:format=b,live,file=a.dump 17356

分析第一个文件，在第一个时刻，此时由于list1集合中放了2个元素，因此该对象存在引用关系

再分析第二个文件，在第二个时刻，此时由于list1置为null，因此该对象没有被引用的地方了，在gc root中找不到list1对象了

通过上面简单的案例演示和说明，我们再次明确，对象被标为垃圾的前提是该对象从GC Root出发进行搜索时，找不到对该对象的引用，即为不可达对象

几种常用的垃圾回收算法

1、引用计数法

引用计数法在JVM的早期版本中有用到，引用计数是指采用计数器说明引用对象的个数，即为某个对象设置一个引用对象数量的计数器，如果该对象被引用了，计数器的数量加1，否则减一，当计数器的数值为0的时候，垃圾回收器将该对象进行回收

如下图所示，某一时刻，对象A,B,C各自持有对对象P的引用，到另一时刻A,B,C不再对P对象进行引用了，计数器的值归为0，此时垃圾回收器就对P对象进行垃圾回收

引用计数法在JVM垃圾回收算法中逐渐被废弃，很简单，如果存在对象之间的循环引用，则计数器的count值永远不会清0，如此对象将会一直存在内存中得不到释放

2、根搜索算法

根搜索算法是JVM的默认垃圾回收算法，也叫做“可达性分析算法”，即从GCRoot出发，有引用的对象都是不可回收的，其他的可以进行标记后再回收

如下图所示，对某个线程栈来说，里面有局部变量，有静态变量，常量池，或对本地native方法的调用，假设从某个栈帧的局部变量出发，可认为是GCRoot的搜索起点，以此为起点，搜索整个引用链条上的所有引用对象，在这个链条上的对象认为是GCRoot可达的对象，否则将会被设为可回收对象被垃圾回收器回收

3、标记清除法（Mark-Sweep）

标记清除算法主要经历标记和清除2个步骤，通过根搜索算法中的可达性分析之后，那些被标记为垃圾对象的内存空间，通过该算法直接清除

标记清除算法简单粗暴，效率很高，因为不涉及到其他的步骤，但是从下面的图示也可以看到，标记清除算法产生了不连续的内存碎片（产生了内存间隙）导致其内存使用率比较低，如果程序中需要为某个大对象分配一大块连续的内存空间，则很难通过这种算法腾出这样的内存空间，因此该算法在JVM中并没有使用到（作为一种垃圾回收算法的思想值得借鉴）

4、复制交换算法（Mark-Sweep）

为解决Mark-Sweep算法的缺陷，Copying算法就被提了出来。它将可用内存按容量划分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块。当某一块内存用完了，就将还存活着的对象复制到另外一块上面，然后再把已使用的内存空间一次清理掉，这样一来就不容易出现内存碎片的问题

在堆的年轻代进行GC的时候使用的就是复制算法，还记得新生代的区域划分吗？S0和S1两个区域的内存在实际使用时，总是其中一块在使用，当达到了minor gc的条件时，就按照复制算法，将这块空间中存活的对象转移到另一块，再清理当前这块空间的垃圾对象

总结来说，复制算法速度快，无内存碎片，但缺点也比较明显，就是浪费空间，在年轻代的 Minor Gc中使用

5、标记压缩算法（Mark-Compact）

为解决Copying算法的缺陷，充分利用内存空间，提出了Mark-Compact算法。该算法标记阶段和Mark-Sweep一样，但是在完成标记之后，它不是直接清理可回收对象，而是将存活对象都向一端移动，然后清理掉端边界以外的内存

标记压缩算法整个垃圾回收的过程包括，标记 -> 压缩 -> 整理 ->清除，通过下图展示也不难发现，标记压缩进行垃圾回收之后，整个内存区域的分布比较连续（无内存碎片），但是很明显这种算法的中间操作步骤相对上面两种算法要复杂，因此在进行GC过程中比较耗时效率较低，在老年代的Full Gc时使用的就是标记压缩算法

JVM 分代收集算法

在JVM的内存结构中，按照堆内存的结构划分，大的方面可以分为年轻代和老年代，堆内存是JVM中进行垃圾回收的主要区域

但是各个区域在使用过程中的作用，对象生成规则，对象生命周期的不同又可以细分为各个逻辑上的结构，比如在新生代区域，可以划分为 Eden区和Survivor区，而Survivor再细分为from(s0)区和to(s1)区，通过区域的划分，各个区域的职责更加明确

我们知道，新生代和老年代一个很大的区别在于，新生代是对象频繁产生的区域，也是Minor Gc很频繁的区域，而老年代中的对象大多则是比较稳定的对象，从这个角度上说，各个区域在进行垃圾回收时策略自然不相同

分代收集算法是目前大部分JVM的垃圾收集器采用的算法，新生代对象朝生夕死，生命周期短，内存空间需要频繁的进行清理以应对快速而来的新对象，因此需要更高效的垃圾回收算法

新生代

目前大部分垃圾收集器对新生代都采取Copying算法，因为新生代中每次垃圾回收都要回收大部分对象，也就是说需要复制的操作次数较少，但实际中并不是按照1：1的比例来划分新生代的空间的，一般来说是将新生代划分为一块较大的Eden空间和两块较小的Survivor空间（一般为8:1:1），每次使用Eden空间和其中的一块Survivor空间，当进行回收时，将Eden和Survivor中还存活的对象复制到另一块Survivor空间中，然后清理掉Eden和刚才使用过的Survivor空间

老年代

老年代内存空间相对较大，可以存放更多的对象，通常情况下每次发生Full Gc的间隔时间也较长，而且在老年代中经常需要存放一些大对象，需要连续的内存空间，基于这些特点，在目前主流的JVM垃圾回收器中对于老年代采用压缩算法