【JVM】垃圾收集算法

分代收集理论

当前商业虚拟机的垃圾收集器，大多数都遵循了“分代收集”（Generational Collection）[1]的理论进 行设计，分代收集名为理论，实质是一套符合大多数程序运行实际情况的经验法则，它建立在两个分代假说之上：

1. 弱分代假说（Weak Generational Hypothesis）：绝大多数对象都是朝生夕灭的。

2. 强分代假说（Strong Generational Hypothesis）：熬过越多次垃圾收集过程的对象就越难以消 亡。

把分代收集理论具体放到现在的商用Java虚拟机里，设计者一般至少会把Java堆划分为新生代 （Young Generation）和老年代（Old Generation）两个区域[2]。顾名思义，在新生代中，每次垃圾收集 时都发现有大批对象死去，而每次回收后存活的少量对象，将会逐步晋升到老年代中存放。

对于分代理论，由于会存在老年代引用新生代的情况，这对于回收对象时的判断会造成性能影响，所以还应该有下面假说

3. 跨代引用假说（Intergenerational Reference Hypothesis）：跨代引用相对于同代引用来说仅占极少数。

上面条结论可根据前两条假说逻辑推理得出的隐含推论：存在互相引用关系的两个对象，是应该倾向于同时生存或者同时消亡的。

下面是一些常见的分代收集名词

• 部分收集（Partial GC）：指目标不是完整收集整个Java堆的垃圾收集，其中又分为：

  • 新生代收集（Minor GC/Young GC）：指目标只是新生代的垃圾收集。

  • 老年代收集（Major GC/Old GC）：指目标只是老年代的垃圾收集。目前只有CMS收集器会有单独收集老年代的行为。

  • 混合收集（Mixed GC）：指目标是收集整个新生代以及部分老年代的垃圾收集。目前只有G1收集器会有这种行为。

• 整堆收集（Full GC）：收集整个Java堆和方法区的垃圾收集。

标记-清除算法

标记-清除算法（Mark and Sweep Algorithm）是一种经典的垃圾回收算法，用于识别和释放不再被引用的对象，从而回收内存空间。它包括两个主要阶段：标记（Mark）和清除（Sweep）。

下面是标记-清除算法的工作原理：

1. 标记（Mark）阶段：
   • 从根对象（通常是程序的入口点或全局变量）开始，遍历整个对象图，标记所有可以从根对象访问到的对象。
   • 在这个阶段，被标记的对象通常被打上一个标记位或者加入一个"已标记"的集合中，以表示它们是活跃对象，仍然被引用。
2. 清除（Sweep）阶段：
   • 在清除阶段，垃圾回收器遍历整个堆内存，找到所有未被标记的对象，这些对象是不再被引用的对象。
   • 未被标记的对象被认为是垃圾，垃圾回收器会将它们的内存空间标记为可用空闲空间，以供将来的对象分配使用。
   • 清除后，堆内存中只剩下被标记的对象，而未被标记的对象的内存已经被释放。

上面有一点需要注意的是，标记对象可以是所有需要回收的对象，在标记完成后，统一回收掉所有被标记的对象，也可以反过来，标记存活的对象，统一回收所有未被标记的对象。

下面是标记-清除算法的示意图

标记-清除算法的优点是它可以回收不再被引用的对象，但它也有一些缺点：

• 碎片问题：标记-清除算法会在内存中留下不连续的空闲块，可能导致内存碎片化问题。这会增加分配大对象时的空间不足问题的风险。
• 效率问题：标记-清除算法需要两次遍历整个堆内存：一次标记，一次清除。这会产生额外的性能开销，尤其是在清除阶段。
• 停顿问题：标记-清除算法在清除阶段需要停止应用程序的执行，因为它需要整个堆内存处于不变状态才能执行清除操作。这可能导致应用程序在垃圾回收期间出现停顿，影响用户体验。

标记-复制算法

标记-复制算法（Mark and Copy Algorithm）是一种用于垃圾回收的算法，它解决了标记-清除算法中出现的内存碎片问题。标记-复制算法主要用于新生代（Young Generation）的垃圾回收，通常分为两个阶段：标记（Mark）和复制（Copy）。

下面是标记-复制算法的工作原理：

1. 标记（Mark）阶段：

   • 从根对象（通常是程序的入口点或全局变量）开始，遍历整个对象图，标记所有可以从根对象访问到的对象，这些对象被认为是活跃对象。
   • 在这个阶段，被标记的对象通常被打上一个标记位或者加入一个"已标记"的集合中，以表示它们是活跃对象，仍然被引用。

2. 复制（Copy）阶段：

   • 在复制阶段，垃圾回收器会将所有被标记为活跃对象的对象从一个区域（通常称为"From"或"Eden"区）复制到另一个区域（通常称为"To"或"Survivor"区）。
   • 复制后，所有被复制的对象都连续排列在一起，没有碎片，而"From"区变成了空的。

3. 清理（Clean-Up）阶段：

   • 清理阶段不再需要被复制的对象，因此整个"From"区可以被清空，成为新的可用空间，用于将来的对象分配。

示意图如下

标记-复制算法的主要优点是它有效地解决了内存碎片问题。因为被复制的对象都被整齐地排列在一起，"From"区变为空，所以不会出现内存碎片化的情况。这提高了内存的利用率，减少了分配大对象时可能出现的空间不足问题。缺点就是比较浪费空间。

标记-复制算法主要用于新生代的垃圾回收，而老年代通常使用其他算法，如标记-清除或标记-整理算法。这些不同的垃圾回收算法结合在一起，构成了现代Java虚拟机中的复杂垃圾回收策略，以提高内存管理的效率和性能。

标记-整理算法

标记-整理算法（Mark and Compact Algorithm）是一种用于垃圾回收的算法，通常用于老年代（Old Generation）的内存回收。它是标记-清除算法的改进版本，主要解决了标记-清除算法可能导致的内存碎片问题。

相较于标记-清楚算法只是多了一个整理的过程

整理（Compact）阶段：

• 在整理阶段，垃圾回收器会将所有被标记为活跃对象的对象向一端移动，以便它们连续排列在一起。同时，未被标记/被标记的对象都被认为是垃圾，不再需要，它们的内存空间会被释放。
• 整理后，内存中的活跃对象变得更加紧凑，没有碎片，可以提高内存的利用率。

示意图如下