JVM GC系列 — GC算法

一.前言

從本篇文章開始，將開始一個新的系列JVM。JVM是一個很是龐大且複製的技術體系，可是對於程序猿的升級，走向更高階所必要經歷的，曾經也下決心要好好學習一番，然而毅力不足都中途放棄。

GC的做用就是回收垃圾，可是要作到作點必需要解決兩個問題：

1. 如何肯定哪些是垃圾
2. 怎樣回收垃圾

這兩個問題可謂是GC的核心，本篇文章將從算法角度學習GC是怎樣解決這兩個問題。

二.如何肯定哪些是垃圾

1.引用計數法

在Java應用中，可被回收的對象必然是無用對象，即沒有其餘對象引用它或者其脫離了應用的中的對象總體:

如上圖，藍色標記的對象之間相互引用，都是存活對象，GC不該該回收。而紅色標記的對象，已經沒有任何對象引用它，GC應該回收它。

從以上能夠肯定，GC首先應該回收沒有任何引用指向其的對象。如何表達沒有任何引用？

爲每一個對象維護一個計數器，該計數器表示指向其的引用。當沒有引用其時，則計數器應該爲0，GC則應該回收。這種算法被稱爲引用計數法。

如上圖，當計數器爲0時，表示該對象已經沒有任何引用，可被垃圾收集器回收。該算法實現很是簡單，且性能較佳，可是存在侷限性。

2.引用計數法的侷限性

引用計數法當然簡單易於理解，可是它沒法解決相互引用的問題。當兩個以上的對象之間相互引用，可是它們已經脫離整個Java對象的總體時，引用計數法便沒法表達出它們是可回收對象：

如上圖，當兩個紅色的標記的對象相互引用，此外沒有任何對象引用它們，顯然它們是可回收對象。可是引用計數法會形成沒法被回收。

假若有如下代碼：

void referenceCount() {
    ...

    A a = new A();
    B b = new B(a);
    a.setB(b);
    
    ...
}

A和B之間相互引用，可是此外沒有任何對象引用A和B，那麼當線程運行退出referenceCount方法時，A和B依然不能被回收。

3.可達性分析算法

因爲引用計數法的侷限性，顯然它不適合做爲JVM中定位可回收對象的算法。實際上再JVM中使用另外一種方式表示對象是否可回收 — 可達性分析算法。

可達性分析算法：能從GC Roots找到一條到該對象的引用鏈路，則該對象就是存活對象，如何找不到，則該對象就是可回收對象。

這裏首先要明白什麼是GC Roots：

1. 棧（棧幀中的本地變量表）中引用的對象
2. 方法區中的靜態成員
3. 方法區中的常量引用的對象
4. 本地方法棧中JNI（通常說的Native方法）引用的對象

Note:
簡而言之，可達性分析算法就是根搜索算法，相似於樹結構的搜索。其中GC Roots就是根，其餘對象就是樹上的節點。在根和節點之間尋找路徑。

從圖中能夠看出，可達性分析算法可以解決相互引用的問題。從GC Roots開始到對象之間存在一條引用鏈路，則就是存活對象，反之便是死亡對象。

三.怎樣回收垃圾

經過以上的可達性分析算法，GC可以找到堆區中的可回收對象，可是具體怎樣回收才能具備更高的效率呢？在JVM中存在如下幾種回收算法：

1. 標記清除
2. 複製
3. 標記整理

以上三種算法都各有利弊，下面逐一介紹。

1.標記清除算法

顧名思義，該算法分爲兩個階段，先標記出可回收對象，而後再清除這些對象。

將堆區當作以上連輸的方塊片斷，紅色表明沒有GC Roots引用的對象，藍色表明有引用。

標記清除算法，首先針對堆區對象進行標記，標記出沒有GC Root是對象引用的對象。而後再將沒有GC Roots引用的對象清除。

該算法的效率較高，只須要標記而後清除便可。可是從圖中也能夠看出問題所在，在清除後，會形成大量的不連續的內存碎片，當有大對象分配時，將又會觸發GC，從而影響性能。

2.複製算法

爲了解決標記清除算法的致使的內存碎片問題，複製算法所以而生。複製算法的思想是將內存分爲兩塊，每次只使用其中一塊，回收時將存活的對象複製到另外一塊中，而後將使用的那塊徹底清除，再使用新的複製那塊。

通過複製算法後，不會再產生斷斷續續的內存碎片。每次垃圾回收以後，都能獲得連續的大片內存。可是又產生了新的問題，內存是昂貴資源，將其分紅兩塊，每次只使用其中一塊，形成了資源浪費。可是實際中，對象基本上都是朝生夕死，能存活的對象少之又少，因此實際中通常不會按照1:1的比例分塊。在Hostspot的年輕代默認按照8:1的進行劃分，即Eden:Survivor=8:1。

3.標記整理算法

爲了既解決標記清除算法帶來的內存碎片問題，又能很好解決複製算法的內存犧牲問題。又出現標記整理算法。它相似標記清除，可是又增長了一個整理過程。即將存活對象往一端移動，整理內存碎片，造成連續內存。

經過標記清理，可以將回收垃圾對象，釋放內存。經過整理壓縮，可以造成連續內存，解決內存碎片。

雖然標記整理算法解決了複製算法和標記清除算法帶來的問題，可是整理壓縮也是耗費性能，下降效率。

4.分代算法

以上的GC回收算法都各有利弊，實際使用中，根據內存區域的劃分以及其特色，HotSpot不單一採用以上的算法，而是根據堆區不一樣分代，分別採用以上算法，這種算法被稱爲分代算法。

因爲Java對象具備朝生夕死的特色，堆區通常劃分爲新生代（年輕代）和老年代（年老代）。新生代對象生存週期短暫，老年代對象生成周期較長：

• 新生代對象存活週期短，每次只有少許對象存活，使用複製算法比較適宜。因此HotSpot中將新生代分爲Eden和Survivor區域。
• 老年代對象存活時間長，每次GC後，大部分對象都存活。因此使用標記整理算法。

總結

本篇文章主要介紹GC中兩個核心問題，第一：GC如何肯定哪些對象是可回收的，在HotSpot中使用從GC Roots開始的可達性分析算法，定位對象是否存活。第二：在肯定對象的存活與否後，採用何種策略回收對象。商業虛擬機中多數採用分代算法解決該問題。在瞭解了GC回收算法後，下篇文章再圍繞這些算法學習HotSpot中的有哪些具體實現。