Java 垃圾收集器的垃圾收集算法

垃圾收集器的垃圾收集算法

在之前曾分享了一篇 Junnplus 关于 Python 垃圾回收的文章，孟同学读后不服，立马撰文以表达对 Java 真挚的爱❤️。 各个语言的 GC 算法其实大同小异而且抄来抄去，对比着看也是一件有趣的事情。

在 Java 中，垃圾回收是个基础而有趣的话题，本文主要讲解 Java 垃圾收集器的垃圾收集算法，首先，需要理解几个概念：

引用计算法：通俗的讲，引用计数法是这样这样一种场景，在类中设置一个计数变量，专门用来存储当前类有多少引用，如果被某个类引用，变量 +1，如果不再引用，变量就 -1，变量为 0 的时候认为此类没有任何引用。这种方法会有一个缺陷：如果两个类互相引用，两个类的计数变量都不为 0，但是两个类应该被回收，因为计数变量大于 0，所以无法回收。三个对象 A，B，C，A 中引用了 B，B 中引用了 C，C 中引用了 A，这就成为了一个循环引用，四个对象，五个甚至更多，都可以构成循环引用，其实两个类也可以看作循环引用。

可达性：通俗来说，可达性分析就是从一个点是否能搜索到另一个点，例如中国版图，以水为界，以陆地为连接，北京为根节点，从北京出发，在陆地上能到达上海，新疆，西藏，但是海南和台湾，因为隔着琼州海峡和台湾海峡，与大陆不连通，这种场景被认为不可达（其实坐船，坐飞机都能到）。从根节点查找其他节点的过程可以理解为可达性分析，如果某个或某几个对象连通，但是没有和根节点连通，我们认为这个（些）对象不可达，这样能解决循环引用问题，根节点的话，问度娘吧。

标记清理算法

此算法就是字面上的意思，先是把内存中需要收集的对象标记下来，然后进行内存空间回收。

标记的方法可以使用可达性分析，不采用引用计数法。优点是算法简单，易于理解，缺点是标记和清理的效率都很低，而且这种方法会产生内存碎片。假设经过了一次内存回收，空间中剩余一共 10k 内存，最大的块能容纳6k大的对象，现在要申请 7k 内存，发现在内存中找不到能容下 7k 的块，于是要提前触发一次垃圾回收，不仅仅是浪费资源，效率也大大降低。

复制算法

为了解决效率问题，有人提出了复制算法：把内存空间分成相等的两份（内存大小比例为 1:1 ），暂且记作 A、B，用其中的一份用来内存分配，这里我们选 A，当触发回收操作的时候，把不回收的对象拷贝到另一块内存中，也就是把 A 中的拷贝到 B 中去，然后把 A 全部回收，这样，用来分配内存的那一块就变成了 B，B 中还有存活的对象，A 中被全部清空，下一次回收时，再把 B 中存活的对象拷贝到 A 中，然后全部回收 B。复制算法解决了效率低下的问题和内存碎片过多问题，但是把内存等分为 2 份，对内存实在是太浪费资源了。假设你买了台新笔记本，内存是 16G，但是只能用 8G，是不是很不爽？

分代思想（这不是算法）： 根据一份IBM的专门调查报告，发现 98% 的对象都是“朝生夕死”，存活周期相当短（想想我们的方法中的变量），还有一些对象生命周期比较长，人们把存活周期比较短的分到新生代，把存活周期比较长的分到老年代。

标记整理

复制算法有很多缺点：当存活的对象较多，复制会花费很多的时间，效率低下，最致命的是会有50% 的空间不能使用。极端情况下，如果应该被回收的内存中对象 100% 存活，然后又有新的内存申请，我们不得不增加一块额外的空间来应对这种极端情况。老年代中的对象存活周期都比较长，有人在标记-清理算法的基础上，提出了标记-整理算法，这种算法先去标记需要回收的对象（这个和标记-清理算法的标记过程是一样的），然后将存活的对象往空间的一端移动，记录需要回收的对象和存活对象的界限，然后清理需要回收的内存区域。

分代收集

这并不是新的算法，而是根据新生代和老年代不同的存活周期，选择不同的算法，老年代采用标记-整理算法，而新生代采用复制算法，不过比例不是 1:1，而是 8:1:1，占 8/10 区域的是新生代，被称作 Eden，另外两块区域大小相同，被称作 Survivor1 和 Survivor2，内存回收时，把 Eden 和 Survivor1 中的存活对象拷贝到 Survivor2 中，回收 Eden 和 Survivor1 两个空间，下一次回收时，把 Eden 和 Survivor2 中的存活对象拷贝到 Survivor1 中，回收 Eden 和 Survivor2 两个空间，如此往复回收。因为 Eden 空间大，并且其中的对象会被回收 90% 以上，所以复制算法比较有优势。如果出现 Eden 和 Survivor（记为 Survivor） 中存活的对象比另一个 Survivor（记为 Survivor2） 空间大的情况，就会选择 Survivor1 中的经过多次回收还在存活的对象（这种对象被认为存活周期较长）进入老年代，释放出足够的空间，这种操作被称为分配担保，就像是银行贷款的担保人一样。需要存放存活对象的 Survivor 中内存空足够了，就进行 Eden 和 Survivor 的回收操作。

现在的主流虚拟机都采用分代收集算法，在新生代中，每次垃圾收集时都有大批对象死去，只有少量存活，适合采用复制算法，老年代中存活率高，而且没有额外的空间为它进行分配担保，适合采用标记-清理或标记-整理算法。