Java 虛擬機（四）垃圾收集算法

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Java虛擬機系列

前言

在本系列上一篇文章中我講到了垃圾標記算法，垃圾被標記後，GC就會對垃圾進行收集，垃圾收集有不少種算法，這篇文章就來介紹經常使用的垃圾收集算法的思想。

1.標記-清除算法

標記-清除算法（Mark-Sweep）是一種常見的基礎垃圾收集算法，它將垃圾收集分爲兩個階段：

• 標記階段：標記出能夠回收的對象。
• 清除階段：回收被標記的對象所佔用的空間。

標記-清除算法之因此是基礎的，是由於後面講到的垃圾收集算法都是在此算法的基礎上進行改進的。標記-清除算法的執行的過程以下圖所示。

標記-清除算法主要有兩個缺點，一個是標記和清除的效率都不高，另外一個從上圖就能夠看出來，就是容易產生大量不連續的內存碎片，碎片太多可能會致使後續沒有足夠的連續內存分配給較大的對象，從而提早觸發新的一次垃圾收集動做。

2.複製算法

爲了解決標記-清除算法的效率不高的問題，產生了複製算法。它把內存空間劃爲兩個相等的區域，每次只使用其中一個區域。垃圾收集時，遍歷當前使用的區域，把存活對象複製到另一個區域中，最後將當前使用的區域的可回收的對象進行回收。複製算法的執行過程以下圖所示。

這種算法每次都對整個半區進行內存回收，不須要考慮內存碎片的問題，代價就是使用內存爲原來的一半。
複製算法的效率跟存活對象的數目多少有很大的關係，若是存活對象不多，複製算法的效率就會很高。因爲絕大多數對象的生命週期很短，而且這些生命週期很短的對象都存於新生代中，因此複製算法被普遍應用於新生代中，關於新生代中複製算法的應用，會在後面的分代收集算法中詳細介紹。

3.標記-壓縮算法

在新生代中可使用複製算法，可是在老年代就不能選擇複製算法了，由於老年代的對象存活率會較高，這樣會有較多的複製操做，致使效率變低。標記-清除算法能夠應用在老年代中，可是它效率不高，在內存回收後容易產生大量內存碎片。所以就出現了一種標記-壓縮算法（Mark-Compact）算法，與標記-清除算法不一樣的是，在標記可回收的對象後將全部存活的對象壓縮到內存的一端，使他們緊湊的排列在一塊兒，而後對端邊界之外的內存進行回收。回收後，已用和未用的內存都各自一邊，以下圖所示。

標記-壓縮算法解決了標記-清除算法效率低和容易產生大量內存碎片的問題，它被普遍的應用於老年代中。

4.分代收集算法

Java堆區的空間劃分

在Java虛擬機中，各類對象的生命週期會有着較大的差異，大部分對象生命週期很短暫，少部分對象生命週期很長，有的甚至和應用程序以及Java虛擬機的運行週期同樣長。所以，應該對不一樣生命週期的對象採起不一樣的收集策略，根據生命週期長短將它們分別放到不一樣的區域，並在不一樣的區域採用不一樣的收集算法，這就是分代的概念。
如今主流的Java虛擬機的垃圾收集器都採用分代收集算法（Generational Collection）。Java堆區基於分代的概念，分爲新生代（Young Generation）和老年代（Tenured Generation），其中新生代再細分爲Eden空間、From Survivor空間和To Survivor空間。由於Eden空間大多對象生命週期很短，因此新生代的空間劃分並非均分的，HotSpot虛擬機默認Eden空間和兩個Survivor空間的所佔的比例爲8：1。

分代收集

根據Java堆區的空間劃分，垃圾收集的類型分爲兩種，它們分別是：

• Minor Collection：新生代垃圾收集。
• Full Collection：對新生代、老年代和永久代（JDK8 取消永久代，Full Collection掃描不到替代永久代的元空間）進行收集，又能夠稱做Majjor Collection。它的收集頻率較低，耗時較長。

當執行一次Minor Collection時，Eden空間的存活對象會被複制到To Survivor空間，而且以前通過一次Minor Collection並在From Survivor空間存活的仍年輕的對象也會複製到To Survivor空間。
有兩種狀況Eden空間和From Survivor空間存活的對象不會複製到To Survivor空間，而是晉升到老年代。一種是存活的對象的分代年齡超過-XX:MaxTenuringThreshold（用於控制對象經歷多少次Minor GC才晉升到老年代）所指定的閾值。另外一種是To Survivor空間容量達到閾值。
當全部存活的對象被複制到To Survivor空間，或者晉升到老年代，也就意味着Eden空間和From Survivor空間剩下的都是可回收對象，以下圖所示。

這時GC執行Minor Collection，Eden空間和From Survivor空間都會被清空，而存活的對象都存放在To Survivor空間。
接下來將From Survivor空間和To Survivor空間互換位置，也就是此前的From Survivor空間成爲了如今的To Survivor空間，每次Survivor空間互換都要保證To Survivor空間是空的，這就是複製算法在新生代中的應用。在老年代則採用了標記-壓縮算法。
在HotSpot中，基於分代的概念，GC使用的回收算法針對新生代和老年代的特色，採用不一樣的垃圾收集算法。

參考資料
《深刻理解 Java 虛擬機：JVM 高級特性與最佳實踐》第二版
《Java虛擬機精講》
《HotSpot實戰》

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