JVM之GC算法

1. 前言

　　1.1 概念：清理內存中不會再被使用的對象

　　1.2 背景：若是內存中的垃圾不被清理，會致使內存溢出

       1.3 回收區域：方法區和Java堆。【JVM的內存區域主要包括5個區域：Java棧（虛擬機棧）、本地方法棧、PC寄存器、方法區、Java堆。由於Java棧、本地方法棧、以及PC寄存器是線程專有的，當方法結束或者線程結束時，內存就天然就跟着回收了。而Java堆和方法區的內存分配和回收是動態的，正是垃圾回收器因此須要關注的部分。】

　　1.4 經常使用的垃圾回收算法：引用計數法（Reference Counting）、標記清除法（Mark-Sweep）、複製算法（Copying）、標記壓縮法(Mark-Compact)、分代算法（Generational Collecting）及分區算法（Region）

 

2. 算法演進

　　2.1 引用計數法【Java垃圾回收未採用】

　　　　2.1.1 思想：對於對象A，若是被引用，A的引用計數器就+1；當引用失效時，A的引用計數器-1.當對象A的引用計數器的值爲0，則對象A被回收。

　　　　2.1.2 缺陷：

　　　　　　2.1.2.1  沒法處理循環引用的狀況。【例如：對象A和對象B相互引用，卻沒有被其餘對象引用。此時，A和B應該被回收。然而，對象A和B的引用計數器卻不爲0，沒法被回收。】 

　　　　　　2.1.2.2 每次對象被引用/釋放引用的時候，都會伴隨着運算操做，對系統性能會有必定的影響。

 

由於循環引用的對象沒法被回收，爲了解決該缺陷，因而產生了可達對象的概念。根據可達對象的概念，產生了標記清除法。

 

　　2.2 標記清除法【現代垃圾回收算法的基礎】

　　　　2.2.1 基礎：

                     2.2.1.0 在Java語言中，可做爲根節點的對象包括如下幾種：

　　　　　　　　　a. Java棧中引用的對象

                                b. 方法區中靜態屬性以及常量引用的對象；

                                c. 本地方法棧中JNI（Native方法）引用的對象。

　　　　　　2.2.1.1 可達對象：經過根對象進行引用搜索，最終能夠達到的對象。

　　　　　　2.2.1.2 不可達對象：經過根對象進行引用搜索，最終沒有被引用到的對象。

　　　　　　　　　

 　　　　2.2.2 思想：經過標記、清除兩個階段實現垃圾回收

　　　　　　2.2.2.1 標記階段：根據根節點，標記全部的可達對象【根據根節點標記可達對象後，還會進行一次篩選，篩選的條件是此對象是否有必要執行finalize()方法。在finalize()中沒有從新與引用創建關聯的對象纔會被真正回收。】

　　　　　　2.2.2.2 清除階段：清除全部的不可達對象

　　　　2.2.3 缺陷：

　　　　　　2.2.3.1 產生大量的空間碎片，工做效率低

　　　　　　標記清除法是對一塊連續的空間進行回收，回收後的空間是不連續的【如圖】。在對象的堆空間分配過程當中，尤爲是大對象的內存分配，不連續內存空間的工做作效率要低於連續空間。

 

 

由於不連續內存空間的工做效率低，爲了解決這個問題，因而想到：新開闢一個工做空間，將可達對象複製到新的內存空間，保證空間使用的連續性。

　　

　　2.3 複製算法【新生代算法】

　　　　2.3.1 思想：將原有的內存空間分爲兩塊，每次使用其中一塊。垃圾回收時，將正在使用的內存中的可達對象複製到未使用的內存塊中，清除正在使用的內存塊中的全部對象，交換兩個內存的角色，完成回收。

 

　　2.3.2 缺陷：

　　　　2.3.2.1 將系統內存摺半，佔用的系統內存太大。

 

複製算法的高效性是創建在存活對象少，垃圾對象對象多的前提下。對於存活對象多的狀況，複製成本高，須要其它算法來替代。

 

　　2.4 標記壓縮法【老年代算法】

　　　　2.4.1 原理：標記清除算法執行完成後，再進行一次內存碎片整理。

　　　　2.4.2 思想：從根節點出發，將全部的可達對象進行標記，而後將標記對象壓縮到內存的一端。最後，清除邊界以外的全部空間。

 

 

在上述算法中，它們都有各自獨特的優點，並無一種算法能夠徹底替代其它算法。所以，正確的方式是：根據垃圾回收對象的特性，使用合適的算法回收。基於這種狀況，產生了分代的思想。

　　2.5 分代算法

　　　　2.5.1 思想：根據對象的特色，將內存區域分紅幾塊；根據每塊內存區域的特色，使用不一樣的回收算法。               

　　　　2.5.2 應用：新生代使用複製算法，老年代使用標記壓縮法。

 

既然能夠根據對象的生命週期（時間角度）進行回收，那麼根據對象的空間分佈（空間角度）也能夠進行回收。

　　

　　2.6 分區算法

　　　　2.6.1 背景：在相同條件下，堆空間越大，一次GC所用的時間越長，從而產生的停頓也越長。

　　　　2.6.2 思想：將堆空間劃分紅連續的小區域，每一個小區域獨立使用、獨立回收。

 

3. 補充

　　3.1 新生代串行垃圾回收器中，使用複製算法的思想。

　　　　3.1.1 基礎：新生代分爲eden區、from區、to區。其中，from區和to區也被稱爲survivor區，能夠視爲用於複製的大小相等、地位相等、且能夠角色互換的兩個空間塊。

　　　　3.1.2 思路：垃圾回收時，Eden區和正在使用的survivor區（假設是from區）中的可達對象會被複制到未被使用的survivor區（to區），而後清空Eden區和from區。

　　　　3.1.3 備註：from區中的大對象或者老年對象會直接進入老年區；若是to區空間不足，對象也會進入老年區

　　3.2 複製算法的高效性是創建在可達對象少，不可達對象多的前提下，所以複製算法只用於新生代【新生代，垃圾對象一般會多於存活對象；老年代大部分對象都是存活對象】。老年代採用標記壓縮法

　　3.3 新生代GC與老年代GC對比：

 

　　3.4 Java中的引用

 　　　判斷對象是否存活都與「引用」有關。在Java中，引用分爲四種：強引用、軟引用、弱引用、虛引用。

　　　　3.4.1 強引用

　　　　    是代碼中普片存在的一種引用，形如：Object obj = new Object();   只要強引用還存在，垃圾回收器就永遠不會回收被引用的對象。

　　　　3.4.2 軟引用

　　　　    用來描述一些還有用可是非必須的對象。對於軟引用關聯着的對象，在系統將要發生內存溢出異常（即：內存不足）時，纔會被回收。

　　　　3.4.3 弱引用

　　　　    用來描述非必須對象，它的強度比軟引用更弱。當GC發生時，必定會被回收（不管內存是否充足）。

　　　　3.4.4 虛引用

　　　　    也叫幽靈引用或幻影引用，是最弱的一種引用。經過虛引用沒法建立對象實例。它的做用是可以在這個對象被回收時收到一個系統通知。

　　3.5 方法區如何判斷是否須要回收

　　　　方法區主要回收的內容爲：廢棄的常量和無用的類。對於廢棄的常量能夠經過引用的可達性來判斷，可是對於無用的類則須要經過如下3個條件判斷：

　　　　3.5.1 該類的全部實例都已經被回收

　　　　3.5.2 該類的CLassLoader已經被回收

　　　　3.5.3 該類對象的java.lang.Class對象沒有在任何地方被使用（即：該類沒有被反射訪問）

 

4.  參考文獻：

　　4.1 葛一鳴：《實戰Java虛擬機 – JVM故障診斷與性能優化》 

　　4.2 程序員內參 ： 《JVM的垃圾回收機制總結》