JVM垃圾回收之JVM GC算法探究

JVM垃圾回收之JVM GC算法探究

在Java虚拟机（JVM）中，垃圾回收（Garbage Collection，GC）是自动管理内存的重要机制，它负责回收程序中不再使用的对象所占用的内存。GC算法是垃圾回收的核心，下面我们将详细介绍四种常见的GC算法，并通过代码示例进行简单的分析。

1. 标记清除算法（Mark-Sweep）

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标记清除算法是最基础的GC算法之一。它分为两个阶段：标记阶段和清除阶段。在标记阶段，GC遍历所有对象，找出并标记不再使用的对象（即需要被回收的对象）。在清除阶段，GC将标记过的对象所占用的内存进行释放。

优点：实现简单，内存回收较为彻底。

缺点：标记和清除两个阶段的效率都不高，尤其是标记阶段，需要遍历所有对象。并且，由于标记和清除的时机不同步，可能会导致内存碎片化，需要额外的空间进行内存整理。

以下是标记清除算法的Java代码示例：

public class MarkSweepExample {
    public static void main(String[] args) {
        Object[] array = new Object[10];
        for (int i = 0; i < array.length; i++) {
            array[i] = new Object();
        }
        // 执行标记清除算法
        sweep();
    }
    
    private static void sweep() {
        for (Object obj : array) {
            if (obj != null) {
                System.out.println("Marking " + obj);
            }
        }
        array = null; // 执行清除阶段
        System.gc(); // 提示JVM进行垃圾回收
    }
}
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2. 标记整理算法（Mark-Compact）

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标记整理算法是对标记清除算法的改进，它在清除阶段将标记过的对象进行内存整理，避免内存碎片化。

优点：解决了内存碎片化问题。

缺点：由于需要整理内存，增加了GC的耗时。并且，当对象在堆中分布不均时，可能需要较大的空间进行内存整理。

以下是标记整理算法的Java代码示例：

public class MarkCompactExample {
    public static void main(String[] args) {
        Object[] array = new Object[10];
        for (int i = 0; i < array.length; i++) {
            array[i] = new Object();
        }
        // 执行标记整理算法
        compact();
    }
    
    private static void compact() {
        for (Object obj : array) {
            if (obj != null) {
                System.out.println("Marking " + obj);
            } else {
                System.out.println("Compact " + obj);
            }
        }
        array = null; // 执行整理阶段
        System.gc(); // 提示JVM进行垃圾回收
    }
}
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3. 复制算法（Copying）

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复制算法将堆内存分为两个区域，一部分为使用区，另一部分为垃圾区。每次GC时，将正在使用的对象复制到垃圾区，然后将使用区的内存清空。

优点：可以充分利用堆内存空间，避免了内存整理的开销。并且，由于只有正在使用的对象需要复制，所以GC的耗时相对较短。

缺点：需要额外的内存空间来存放正在使用的对象，当堆内存中存活的对象较多时，可能会占用较大的空间。此外，由于需要复制对象，可能会对程序的性能产生影响。

4. GC Roots 定位算法

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GC Roots 定位算法是垃圾回收中另一个重要的概念。在 JVM 中，一些对象可能被 GC 无法直接找到的引用所引用，这些对象被称为 GC Root。GC Roots 定位算法就是用来找到这些 GC Root 的。

一般来说，GC Roots 定位算法主要关注以下几个方面：

• 栈：线程的栈是 GC Root 的重要来源，栈中的对象可能会被其他对象引用。
• JNI 引用：JNI（Java Native Interface）是 Java 平台的一种机制，允许 Java 代码与本地代码进行交互。在 JNI 代码中创建的对象可能会被 Java 对象引用，因此这些对象需要被标记为 GC Root。
• CPU 寄存器：CPU 寄存器中的对象可能会被其他对象引用，因此需要将寄存器中的对象标记为 GC Root。
• 全局变量：全局变量是 Java 对象在 Java 代码中的一种常见引用方式，因此全局变量中的对象需要被标记为 GC Root。

总的来说，GC Roots 定位算法的目标是找到所有的 GC Root，以便于垃圾回收器能够正确地回收不再使用的对象。

总结

JVM 的垃圾回收机制是 JVM 自动内存管理的重要组成部分，它能够有效地回收不再使用的对象，避免内存泄漏和内存溢出等问题。而垃圾回收机制的核心就是 GC 算法和 GC Roots 定位算法。了解和掌握这些算法的原理和机制有助于我们更好地理解和使用 JVM。