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Java虚拟机系列

前言

在本系列上一篇文章中我讲到了垃圾标记算法，垃圾被标记后，GC就会对垃圾进行收集，垃圾收集有很多种算法，这篇文章就来介绍常用的垃圾收集算法的思想。

1.标记-清除算法

标记-清除算法（Mark-Sweep）是一种常见的基础垃圾收集算法，它将垃圾收集分为两个阶段：

  • 标记阶段：标记出可以回收的对象。
  • 清除阶段：回收被标记的对象所占用的空间。

标记-清除算法之所以是基础的，是因为后面讲到的垃圾收集算法都是在此算法的基础上进行改进的。标记-清除算法的执行的过程如下图所示。
标记清除算法(1)_副本.png

标记-清除算法主要有两个缺点，一个是标记和清除的效率都不高，另一个从上图就可以看出来，就是容易产生大量不连续的内存碎片，碎片太多可能会导致后续没有足够的连续内存分配给较大的对象，从而提前触发新的一次垃圾收集动作。

2.复制算法

为了解决标记-清除算法的效率不高的问题，产生了复制算法。它把内存空间划为两个相等的区域，每次只使用其中一个区域。垃圾收集时，遍历当前使用的区域，把存活对象复制到另外一个区域中，最后将当前使用的区域的可回收的对象进行回收。复制算法的执行过程如下图所示。

复制算法_副本.png

这种算法每次都对整个半区进行内存回收，不需要考虑内存碎片的问题，代价就是使用内存为原来的一半。
复制算法的效率跟存活对象的数目多少有很大的关系，如果存活对象很少，复制算法的效率就会很高。由于绝大多数对象的生命周期很短，并且这些生命周期很短的对象都存于新生代中，所以复制算法被广泛应用于新生代中，关于新生代中复制算法的应用，会在后面的分代收集算法中详细介绍。

3.标记-压缩算法

在新生代中可以使用复制算法，但是在老年代就不能选择复制算法了，因为老年代的对象存活率会较高，这样会有较多的复制操作，导致效率变低。标记-清除算法可以应用在老年代中，但是它效率不高，在内存回收后容易产生大量内存碎片。因此就出现了一种标记-压缩算法（Mark-Compact）算法，与标记-清除算法不同的是，在标记可回收的对象后将所有存活的对象压缩到内存的一端，使他们紧凑的排列在一起，然后对端边界以外的内存进行回收。回收后，已用和未用的内存都各自一边，如下图所示。

标记压缩算法_副本.png

标记-压缩算法解决了标记-清除算法效率低和容易产生大量内存碎片的问题，它被广泛的应用于老年代中。

4.分代收集算法

Java堆区的空间划分

在Java虚拟机中，各种对象的生命周期会有着较大的差别，大部分对象生命周期很短暂，少部分对象生命周期很长，有的甚至和应用程序以及Java虚拟机的运行周期一样长。因此，应该对不同生命周期的对象采取不同的收集策略，根据生命周期长短将它们分别放到不同的区域，并在不同的区域采用不同的收集算法，这就是分代的概念。
现在主流的Java虚拟机的垃圾收集器都采用分代收集算法（Generational Collection）。Java堆区基于分代的概念，分为新生代（Young Generation）和老年代（Tenured Generation），其中新生代再细分为Eden空间、From Survivor空间和To Survivor空间。因为Eden空间大多对象生命周期很短，所以新生代的空间划分并不是均分的，HotSpot虚拟机默认Eden空间和两个Survivor空间的所占的比例为8：1。

分代收集

根据Java堆区的空间划分，垃圾收集的类型分为两种，它们分别是：

  • Minor Collection：新生代垃圾收集。
  • Full Collection：对新生代、老年代和永久代（JDK8 取消永久代，Full Collection扫描不到替代永久代的元空间）进行收集，又可以称作Majjor Collection。它的收集频率较低，耗时较长。

当执行一次Minor Collection时，Eden空间的存活对象会被复制到To Survivor空间，并且之前经过一次Minor Collection并在From Survivor空间存活的仍年轻的对象也会复制到To Survivor空间。
有两种情况Eden空间和From Survivor空间存活的对象不会复制到To Survivor空间，而是晋升到老年代。一种是存活的对象的分代年龄超过-XX:MaxTenuringThreshold（用于控制对象经历多少次Minor GC才晋升到老年代）所指定的阈值。另一种是To Survivor空间容量达到阈值。
当所有存活的对象被复制到To Survivor空间，或者晋升到老年代，也就意味着Eden空间和From Survivor空间剩下的都是可回收对象，如下图所示。
GC执行前(1).png

这时GC执行Minor Collection，Eden空间和From Survivor空间都会被清空，而存活的对象都存放在To Survivor空间。
接下来将From Survivor空间和To Survivor空间互换位置，也就是此前的From Survivor空间成为了现在的To Survivor空间，每次Survivor空间互换都要保证To Survivor空间是空的，这就是复制算法在新生代中的应用。在老年代则采用了标记-压缩算法。
在HotSpot中，基于分代的概念，GC使用的回收算法针对新生代和老年代的特点，采用不同的垃圾收集算法。

参考资料
《深入理解 Java 虚拟机：JVM 高级特性与最佳实践》第二版
《Java虚拟机精讲》
《HotSpot实战》