JVM调优：JVM中常见的垃圾回收算法详解

一、什么是垃圾回收？
  Java语言的垃圾回收（Garbage Collection, GC）是Java运行时环境（JRE）提供的一项自动内存管理机制，用于自动释放不再使用的对象所占用的内存。这是Java区别于C和C++等语言的一个重要特性，因为Java程序员不需要显式地分配和释放内存。

二、如何判断对象是否需要回收？

判断对象是否存活的两种算法：引用计数法和可达性分析算法

①.引用计数法
  Java堆中针对每个对象都设置一个引用计数器。当一个对象被创建并初始化赋值后，该变量计数设置为1。每当有一个地方引用它时，计数器值就加1。当引用失效时，即一个对象的某个引用超过了生命周期（出作用域后）或者被设置为一个新值时，计数器值就减1。任何引用计数为0的对象可以被当作垃圾回收。当一个对象被垃圾回收时，它引用的任何对象计数减1。

优点：
1.实时性较高，无需等到内存不够的时候，才开始回收，运行时根据对象的计数器是否为0，就可以直接回收。
2.在垃圾回收过程中，应用无需挂起。如果申请内存时，内存不足，则立刻报outofmember错误。
3.区域性，更新对象的计数器时，只是影响到该对象，不会扫描全部对象。

缺点：
1.每次对象被引用时，都需要去更新计数器，有一点时间开销。
2.浪费CPU资源，即使内存够用，仍然在运行时进行计数器的统计。
3.无法解决循环引用问题。

什么是循环引用问题

循环引用示例
class TestA{
	public TestB b;
}

class TestB{
  public TestA a;
}

public class Main{
    public static void main(String[] args){
        A a = new A();
        B b = new B();
        a.b=b;
        b.a=a;
        a = null;
        b = null;
    }
}
虽然a和b都为null，但是由于a和b存在循环引用，这样a和b永远都不会被回收

②.可达性分析算法
  可达性分析法也叫根搜索算法，通过称为 GC Roots 的对象作为起点，从上往下进行搜索。搜索所走过的路径称为引用链 （Reference Chain）， 当发现某个对象与 GC Roots之间没有任何引用链相连时, 即认为该对象不可达，该对象也就成了垃圾回收的目标。

   从GC Roots 开始没有引用链和Obejct5、Object6 和Object7 相连，因此这三个对象对于GC Roots 而言就是不可达的，会被垃圾回收，即便他们互相都有引用。

三、JVM中常见的垃圾回收算法

①.标记清除法
   标记清除算法，是将垃圾回收分为2个阶段，分别是标记和清除。

1.标记：从根节点开始标记引用的对象。

2.清除：未被标记引用的对象就是垃圾对象，可以被清理。

原理说明：

   程序运行期间所有对象的状态，它们的标志位全部是0（也就是未标记，以下默认0就是未标记，1为已标记），假设这会儿有效内存空间耗尽了，JVM将会停止应用程序的运行并开启GC线程，然后开始进行标记工作，按照根搜索算法，标记完以后，对象的状态如下图。

   可以看到，按照根搜索算法，所有从root对象可达的对象就被标记为了存活的对象，此时已经完成了第一阶段标记。接下来，就要执行第二阶段清除了，那么清除完以后，剩下的对象以及对象的状态如下图所示。

   可以看到，没有被标记的对象将会回收清除掉，而被标记的对象将会留下，并且会将标记位重新归0。接下来就不用说了，唤醒停止的程序线程，让程序继续运行即可。

优点：
标记清除算法解决了引用计数算法中的循环引用的问题，没有从root节点引用的对象都会被回收。

缺点：
1.效率较低，标记和清除两个动作都需要遍历所有的对象，并且在GC时，需要停止应用程序，对于交互性要求比较高的应用而言这个体验是非常差的。

2.通过标记清除算法清理出来的内存，碎片化较为严重，因为被回收的对象可能存在于内存的各个角落，所以清理出来的内存是不连贯的。

②.标记压缩算法

  标记压缩算法是在标记清除算法的基础之上，做了优化改进的算法。和标记清除算法一样，也是从根节点开始，对对象的引用进行标记，在清理阶段，并不是简单的清理未标记的对象，而是将存活的对象压缩到内存的一端，然后清理边界以外的垃圾，从而解决了碎片化的问题。

原理说明：

   首先也需要从根节点开始对所有可达对象做一次标记，但之后，它并不简单地清理未标记的对象，而是将所有的存活对象压缩到内存的一端。之后，清理边界外所有的空间。这种方法既避免了碎片的产生，又不需要两块相同的内存空间，因此，其性价比比较高。

优点：
优点同标记清除算法，解决了标记清除算法的碎片化的问题。

缺点：
同时，标记压缩算法多了一步，对象移动内存位置的步骤，其效率也有有一定的影响。

③.复制算法
   复制算法的核心就是，将原有的内存空间一分为二，每次只用其中的一块，在垃圾回收时，将正在使用的对象复制到另一个内存空间中，然后将该内存空间清空，交换两个内存的角色，完成垃圾的回收。

   如果内存中的垃圾对象较多，需要复制的对象就较少，这种情况下适合使用该方式并且效率比较高，反之，则不适合。

原理说明：

优点：
  复制算法的优点是简单高效，不会出现内存碎片。

缺点：
  内存利用率低，只有一半的内存被利用。特别是存活对象较多时效率明显降低，因为需要移动每个不可回收数据的内存实际位置。

④.分代收集算法
  根据对象的存活周期将内存划分为几块，然后定义回收规则。如图所示，从左到右分别是年轻代（Young Generation）、老年代（Old Generation） 和 永久代（Permanent Generation），另外年轻代又分为了Eden Space（伊甸空间） 、Survivor Space（幸存者空间）。分代收集的算法在当前商业虚拟机算法中被广泛采用。

  分代回收算法只是根据对象存活周期的不同，将内存划分为几块。并不是真正一个新的算法，一般分为：老年代（Old Generation）和新生代（Young Generation），老年代就是很少垃圾需要进行回收的，新生代就是有很多的内存空间需要回收，所以不同代就采用不同的回收算法，以此来达到高效的回收算法。

新生代：每次垃圾收集时都有大批对象死去，只有少量存活，那就选用复制算法。只需要付出少量存活对象的复制成本就可以完成收集。

老年代：老年代因为对象存活率高、没有额外空间对它进行分配，所以就必须使用 “标记 - 清楚” 或者 “标记 - 整理” 算法来进行回收。