聊聊GC

GC(Garbage Collection)即Java垃圾回收機制，是Java與C++的主要區別之一，做爲Java開發者，通常不須要專門編寫內存回收和垃圾清理代碼，對內存泄露和溢出的問題，也不須要像C++程序員那樣戰戰兢兢，就是由於Java有這個方便的機制。

爲了對GC有一個直觀的認識，先來一張圖：

對圖中各類名詞不熟悉的話，請參照個人上一篇文章：JVM小結

GC算法整體概述

JVM在進行GC時，並不是每次都對上面三個內存區域一塊兒回收的，大部分時候回收的都是指新生代。所以GC按照回收的區域又分了兩種類型，一種是普通GC（minor GC），一種是全局GC（major GC or Full GC）

• 普通GC（minor GC）：只針對新生代區域的GC。
• 全局GC（major GC or Full GC）：針對年老代的GC，偶爾伴隨對新生代的GC以及對永久代的GC。

四大算法

1. 複製算法（Copying）

年輕代中使用的是Minor GC，這種GC算法採用的是複製算法(Copying)。

此圖表明瞭堆的內存結構

HotSpot JVM把年輕代分爲了三部分：1個Eden區和2個Survivor區（分別叫from和to）。默認比例爲8:1:1,通常狀況下，新建立的對象都會被分配到Eden區(一些大對象特殊處理),這些對象通過第一次Minor GC後，若是仍然存活，將會被移到Survivor區。對象在Survivor區中每熬過一次Minor GC，年齡就會增長1歲，當它的年齡增長到必定程度時，就會被移動到年老代中。由於年輕代中的對象基本都是朝生夕死的(80%以上)，因此在年輕代的垃圾回收算法使用的是複製算法，複製算法的基本思想就是將內存分爲兩塊，每次只用其中一塊，當這一塊內存用完，就將還活着的對象複製到另一塊上面。複製算法不會產生內存碎片。

在GC開始的時候，對象只會存在於Eden區和名爲From的Survivor區，Survivor區To是空的。緊接着進行GC，Eden區中全部存活的對象都會被複制到To，而在From區中，仍存活的對象會根據他們的年齡值來決定去向。年齡達到必定值(年齡閾值，能夠經過-XX:MaxTenuringThreshold來設置)的對象會被移動到年老代中，沒有達到閾值的對象會被複制到To區域。通過此次GC後，Eden區和From區已經被清空。這個時候，From和To會交換他們的角色，也就是新的To就是上次GC前的From，新的From就是上次GC前的To。無論怎樣，都會保證名爲To的Survivor區域是空的。Minor GC會一直重複這樣的過程，直到To區被填滿，To區被填滿以後，會將全部對象移動到年老代中。

-XX:MaxTenuringThreshold 設置對象在新生代中存活的次數

由於Eden區對象通常存活率較低，通常的，使用兩塊10%的內存做爲空閒和活動區間，而另外80%的內存，則是用來給新建對象分配內存的。一旦發生GC，將10%的from活動區間與另外80%中存活的eden對象轉移到10%的to空閒區間，接下來，將以前90%的內存所有釋放，以此類推。

劣勢：
複製算法彌補了標記/清除算法中，內存佈局混亂的缺點。不過與此同時，它的缺點也是至關明顯的：

1. 它浪費了一半的內存。
2. 若是對象的存活率很高，咱們能夠極端一點，假設是100%存活，那麼咱們須要將全部對象都複製一遍，並將全部引用地址重置一遍。複製這一工做所花費的時間，在對象存活率達到必定程度時，將會變的不可忽視。 因此從以上描述不難看出，複製算法要想使用，最起碼對象的存活率要很是低才行，並且最重要的是，咱們必需要克服50%內存的浪費。

2. 標記清除（Mark-Sweep）

老年代通常是由標記清除或者是標記清除與標記整理的混合實現。

當堆中的有效內存空間（available memory）被耗盡的時候，就會中止整個程序（也被稱爲stop the world），而後進行兩項工做，第一項則是標記，第二項則是清除。

• 標記：從引用根節點開始標記全部被引用的對象。標記的過程其實就是遍歷全部的GC Roots，而後將全部GC Roots可達的對象 標記爲存活的對象。
• 清除：遍歷整個堆，把未標記的對象清除。

通俗來說，就是當程序運行期間，若可使用的內存被耗盡的時候，GC線程就會被觸發並將程序暫停，隨後將依舊存活的對象標記一遍，最終再將堆中全部沒被標記的對象所有清除掉，接下來便讓程序恢復運行。

缺點：

1. 效率比較低（遞歸與全堆對象遍歷），並且在進行GC的時候，須要中止應用程序，這會致使用戶體驗很是差。
2. 這種方式清理出來的空閒內存是不連續的，咱們的死亡對象都是隨即的出如今內存的各個角落的，把它們清除以後，內存的佈局天然會散亂。而爲了應付這一點，JVM就不得不維持一個內存的空閒列表，這又是一種開銷。並且在分配數組對象的時候，尋找連續的內存空間會有難度。

3. 標記壓縮（Mark-Compact）

老年代通常是由標記清除或者是標記清除與標記壓縮的混合實現。

在整理壓縮階段，再也不對標記的對像作回收，而是經過全部存活對像都向一端移動，而後直接清除邊界之外的內存。
能夠看到，標記的存活對象將會被整理，按照內存地址依次排列，而未被標記的內存會被清理掉。如此一來，當咱們須要給新對象分配內存時，JVM只須要持有一個內存的起始地址便可，這比維護一個空閒列表顯然少了許多開銷。
標記/整理算法不只能夠彌補標記/清除算法當中，內存區域分散的缺點，也消除了複製算法當中，內存減半的高額代價。

劣勢：標記/整理算法惟一的缺點就是效率也不高，不只要標記全部存活對象，還要整理全部存活對象的引用地址。從效率上來講，標記/整理算法要低於複製算法。

4. 標記清除壓縮（Mark-Sweep-Compact）

多提一嘴：引用計數法

這種算法最直接簡單，它維護了一個引用計數器，對象被引用一次計數器+1，少一次-1，若是計數器爲0則對象就被視爲垃圾進行回收。

注：JVM的實現通常不採用這種方式。

劣勢：

1. 每次對對象賦值時均需維護計數器，且計數器自己有必定消耗。
2. 較難處理循環引用。

小結

內存效率：複製算法>標記清除算法>標記整理算法（此處的效率只是簡單的對比時間複雜度，實際狀況不必定如此）。
內存整齊度：複製算法==標記整理算法>標記清除算法。
內存利用率：標記整理算法==標記清除算法>複製算法。
能夠看出，效率上來講，複製算法最快，可是卻浪費了太多內存，而爲了儘可能兼顧上面所提到的三個指標，標記/整理算法相對來講更平滑一些，但效率上依然不盡如人意，它比複製算法多了一個標記的階段，又比標記/清除多了一個整理內存的過程。

有沒有最好的算法呢？只能說：沒有最好的，只有最適合的——分代收集：

針對年輕代

年輕代特色是區域相對老年代較小，對像存活率低。這種狀況複製算法的回收整理，速度是最快的。複製算法的效率只和當前存活對像大小有關，於是很適用於年輕代的回收。而複製算法內存利用率不高的問題，經過hotspot中的兩個survivor的設計獲得緩解。

針對老年代

老年代的特色是區域較大，對像存活率高。這種狀況，存在大量存活率高的對像，複製算法明顯變得不合適。通常是由標記清除或者是標記清除與標記整理的混合實現。Mark階段的開銷與存活對像的數量成正比，這點上說來，對於老年代，標記清除或者標記整理有一些不符，但能夠經過多核/線程利用，對併發、並行的形式提標記效率。Sweep階段的開銷與所管理區域的大小形正相關，但Sweep「就地處決」的特色，回收的過程沒有對像的移動。使其相對其它有對像移動步驟的回收算法，仍然是效率最好的。可是須要解決內存碎片問題。Compact階段的開銷與存活對像的數據成開比，如上一條所描述，對於大量對像的移動是很大開銷的，作爲老年代的第一選擇並不合適。基於上面的考慮，老年代通常是由標記清除或者是標記清除與標記整理的混合實現。以hotspot中的CMS回收器爲例，CMS是基於Mark-Sweep實現的，對於對像的回收效率很高，而對於碎片問題，CMS採用基於Mark-Compact算法的Serial Old回收器作爲補償措施：當內存回收不佳（碎片致使的Concurrent Mode Failure時），將採用Serial Old執行Full GC以達到對老年代內存的整理。