JVM之GC算法

1. 前言

　　1.1 概念：清理内存中不会再被使用的对象

　　1.2 背景：若是内存中的垃圾不被清理，会致使内存溢出

       1.3 回收区域：方法区和Java堆。【JVM的内存区域主要包括5个区域：Java栈（虚拟机栈）、本地方法栈、PC寄存器、方法区、Java堆。由于Java栈、本地方法栈、以及PC寄存器是线程专有的，当方法结束或者线程结束时，内存就天然就跟着回收了。而Java堆和方法区的内存分配和回收是动态的，正是垃圾回收器因此须要关注的部分。】

　　1.4 经常使用的垃圾回收算法：引用计数法（Reference Counting）、标记清除法（Mark-Sweep）、复制算法（Copying）、标记压缩法(Mark-Compact)、分代算法（Generational Collecting）及分区算法（Region）

 

2. 算法演进

　　2.1 引用计数法【Java垃圾回收未采用】

　　　　2.1.1 思想：对于对象A，若是被引用，A的引用计数器就+1；当引用失效时，A的引用计数器-1.当对象A的引用计数器的值为0，则对象A被回收。

　　　　2.1.2 缺陷：

　　　　　　2.1.2.1  没法处理循环引用的状况。【例如：对象A和对象B相互引用，却没有被其余对象引用。此时，A和B应该被回收。然而，对象A和B的引用计数器却不为0，没法被回收。】 

　　　　　　2.1.2.2 每次对象被引用/释放引用的时候，都会伴随着运算操做，对系统性能会有必定的影响。

 

由于循环引用的对象没法被回收，为了解决该缺陷，因而产生了可达对象的概念。根据可达对象的概念，产生了标记清除法。

 

　　2.2 标记清除法【现代垃圾回收算法的基础】

　　　　2.2.1 基础：

                     2.2.1.0 在Java语言中，可做为根节点的对象包括如下几种：

　　　　　　　　　a. Java栈中引用的对象

                                b. 方法区中静态属性以及常量引用的对象；

                                c. 本地方法栈中JNI（Native方法）引用的对象。

　　　　　　2.2.1.1 可达对象：经过根对象进行引用搜索，最终能够达到的对象。

　　　　　　2.2.1.2 不可达对象：经过根对象进行引用搜索，最终没有被引用到的对象。

　　　　　　　　　

 　　　　2.2.2 思想：经过标记、清除两个阶段实现垃圾回收

　　　　　　2.2.2.1 标记阶段：根据根节点，标记全部的可达对象【根据根节点标记可达对象后，还会进行一次筛选，筛选的条件是此对象是否有必要执行finalize()方法。在finalize()中没有从新与引用创建关联的对象才会被真正回收。】

　　　　　　2.2.2.2 清除阶段：清除全部的不可达对象

　　　　2.2.3 缺陷：

　　　　　　2.2.3.1 产生大量的空间碎片，工做效率低

　　　　　　标记清除法是对一块连续的空间进行回收，回收后的空间是不连续的【如图】。在对象的堆空间分配过程当中，尤为是大对象的内存分配，不连续内存空间的工做作效率要低于连续空间。

 

 

由于不连续内存空间的工做效率低，为了解决这个问题，因而想到：新开辟一个工做空间，将可达对象复制到新的内存空间，保证空间使用的连续性。

　　

　　2.3 复制算法【新生代算法】

　　　　2.3.1 思想：将原有的内存空间分为两块，每次使用其中一块。垃圾回收时，将正在使用的内存中的可达对象复制到未使用的内存块中，清除正在使用的内存块中的全部对象，交换两个内存的角色，完成回收。

 

　　2.3.2 缺陷：

　　　　2.3.2.1 将系统内存折半，占用的系统内存太大。

 

复制算法的高效性是创建在存活对象少，垃圾对象对象多的前提下。对于存活对象多的状况，复制成本高，须要其它算法来替代。

 

　　2.4 标记压缩法【老年代算法】

　　　　2.4.1 原理：标记清除算法执行完成后，再进行一次内存碎片整理。

　　　　2.4.2 思想：从根节点出发，将全部的可达对象进行标记，而后将标记对象压缩到内存的一端。最后，清除边界以外的全部空间。

 

 

在上述算法中，它们都有各自独特的优点，并无一种算法能够彻底替代其它算法。所以，正确的方式是：根据垃圾回收对象的特性，使用合适的算法回收。基于这种状况，产生了分代的思想。

　　2.5 分代算法

　　　　2.5.1 思想：根据对象的特色，将内存区域分红几块；根据每块内存区域的特色，使用不一样的回收算法。               

　　　　2.5.2 应用：新生代使用复制算法，老年代使用标记压缩法。

 

既然能够根据对象的生命周期（时间角度）进行回收，那么根据对象的空间分布（空间角度）也能够进行回收。

　　

　　2.6 分区算法

　　　　2.6.1 背景：在相同条件下，堆空间越大，一次GC所用的时间越长，从而产生的停顿也越长。

　　　　2.6.2 思想：将堆空间划分红连续的小区域，每一个小区域独立使用、独立回收。

 

3. 补充

　　3.1 新生代串行垃圾回收器中，使用复制算法的思想。

　　　　3.1.1 基础：新生代分为eden区、from区、to区。其中，from区和to区也被称为survivor区，能够视为用于复制的大小相等、地位相等、且能够角色互换的两个空间块。

　　　　3.1.2 思路：垃圾回收时，Eden区和正在使用的survivor区（假设是from区）中的可达对象会被复制到未被使用的survivor区（to区），而后清空Eden区和from区。

　　　　3.1.3 备注：from区中的大对象或者老年对象会直接进入老年区；若是to区空间不足，对象也会进入老年区

　　3.2 复制算法的高效性是创建在可达对象少，不可达对象多的前提下，所以复制算法只用于新生代【新生代，垃圾对象一般会多于存活对象；老年代大部分对象都是存活对象】。老年代采用标记压缩法

　　3.3 新生代GC与老年代GC对比：

 

　　3.4 Java中的引用

 　　　判断对象是否存活都与“引用”有关。在Java中，引用分为四种：强引用、软引用、弱引用、虚引用。

　　　　3.4.1 强引用

　　　　    是代码中普片存在的一种引用，形如：Object obj = new Object();   只要强引用还存在，垃圾回收器就永远不会回收被引用的对象。

　　　　3.4.2 软引用

　　　　    用来描述一些还有用可是非必须的对象。对于软引用关联着的对象，在系统将要发生内存溢出异常（即：内存不足）时，才会被回收。

　　　　3.4.3 弱引用

　　　　    用来描述非必须对象，它的强度比软引用更弱。当GC发生时，必定会被回收（不管内存是否充足）。

　　　　3.4.4 虚引用

　　　　    也叫幽灵引用或幻影引用，是最弱的一种引用。经过虚引用没法建立对象实例。它的做用是可以在这个对象被回收时收到一个系统通知。

　　3.5 方法区如何判断是否须要回收

　　　　方法区主要回收的内容为：废弃的常量和无用的类。对于废弃的常量能够经过引用的可达性来判断，可是对于无用的类则须要经过如下3个条件判断：

　　　　3.5.1 该类的全部实例都已经被回收

　　　　3.5.2 该类的CLassLoader已经被回收

　　　　3.5.3 该类对象的java.lang.Class对象没有在任何地方被使用（即：该类没有被反射访问）

 

4.  参考文献：

　　4.1 葛一鸣：《实战Java虚拟机 – JVM故障诊断与性能优化》 

　　4.2 程序员内参 ： 《JVM的垃圾回收机制总结》