JVM工作原理与实战(二十五)：堆的垃圾回收-垃圾回收算法

前言

JVM作为Java程序的运行环境，其负责解释和执行字节码，管理内存，确保安全，支持多线程和提供性能监控工具，以及确保程序的跨平台运行。本文主要介绍了垃圾回收算法评价标准、标记清除算法、复制算法、标记整理算法、分代垃圾回收算法等内容。

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一、垃圾回收算法介绍

垃圾回收算法在Java中起到了至关重要的作用，它的主要任务是自动管理内存，避免内存泄漏和垃圾堆积。那么，Java是如何实现垃圾回收的呢？简单来说，垃圾回收要做的有两件事：

• 找到内存中存活的对象：这部分的任务主要是通过"标记"过程来完成。在Java中，所有的对象都由引用进行连接，如果一个对象没有任何引用指向它，那么它就被认为是不可达的（也就是死亡对象）。标记阶段就是通过遍历所有的对象，找出并标记那些被引用的对象，从而确定哪些对象仍然存活。
• 释放不再存活对象的内存：这部分的任务主要是通过"清除"过程来完成。一旦标记阶段确定了哪些对象是存活，那么所有未被标记的对象就被认为是不可达的，它们的内存就可以被安全地释放，以便程序能再次利用这部分空间。

1.垃圾回收算法的历史和分类

自1960年起，John McCarthy首次提出了标记-清除算法（Mark Sweep GC），标志着垃圾回收算法的诞生。随后，1963年Marvin L. Minsky引入了复制算法（Copying GC），这两种算法成为后续垃圾回收算法的基础。在此基础上，垃圾回收算法不断发展，出现了标记-整理算法（Mark Compact GC）、分代GC（Generational GC）等优化版本。这些算法在实现垃圾回收的过程中，均致力于提高内存利用率，降低停顿时间，以满足不同应用场景的需求。

2.垃圾回收算法的评价标准

在Java中，垃圾回收通过独立的GC线程完成，但无论采用何种GC算法，都会存在需要暂停所有用户线程的阶段。这一过程被称为"Stop-The-World"（STW）。如果该过程过长，将对用户体验产生负面影响。因此，评价垃圾回收算法的优劣需基于以下三个关键标准：

• 吞吐量：吞吐量指的是 CPU 用于执行用户代码的时间与 CPU 总执行时间的比值，即吞吐量 = 执行用户代码时间 / （执行用户代码时间 + GC时间）。吞吐量数值越高，垃圾回收的效率就越高。比如：虚拟机总共运行了 100 分钟，其中GC花掉 1 分钟，那么吞吐量就是 99%。
• 最大暂停时间：最大暂停时间指的是所有在垃圾回收过程中的STW（Stop The World）时间最大值。STW是垃圾回收过程中需要停止所有的用户线程的时间。最大暂停时间越短，用户使用系统时受到的影响就越短。
• 堆使用效率：不同垃圾回收算法，对堆内存的使用方式是不同的。比如标记清除算法，可以使用完整的堆内存。而复制算法会将堆内存一分为二，每次只能使用一半内存。从堆使用效率上来说，标记清除算法要优于复制算法。

上述三种评价标准，堆使用效率、吞吐量，以及最大暂停时间不可兼得。一般来说，堆内存越大，最大暂停时间就越长。想要减少最大暂停时间，就会降低吞吐量。不同的垃圾回收算法，适用于不同的场景。

二、垃圾回收算法详解

1.标记清除算法

标记清除算法是垃圾回收中的一种基础算法，其核心思想分为两个阶段：标记阶段和清除阶段。

• 标记阶段：在标记阶段，算法通过可达性分析，从GC Root（垃圾回收起始点）开始，通过引用链遍历出所有存活的对象。
• 清除阶段：在清除阶段，算法从内存中删除未被标记的对象，即非存活对象。

标记清除算法的优点：

• 只需要在标记阶段给每个对象维护一个标记位，然后在清除阶段删除未被标记的对象即可。

标记清除算法的缺点：

• 内存碎片化问题：由于内存是连续的，当对象被删除后，内存中会出现许多细小的可用内存单元。如果需要分配一个较大的空间，这些小内存单元可能无法满足需求，导致内存浪费和碎片化。
• 分配速度慢：由于内存碎片的存在，需要维护一个空闲链表。在分配内存时，可能需要遍历整个链表才能找到合适的空闲内存空间，导致分配速度变慢。

尽管标记清除算法存在一些缺陷，但它仍广泛应用于垃圾回收的实现中。在许多情况下，通过与其他算法结合使用，可以克服其缺点并提高垃圾回收的效率和性能。

2.复制算法

复制算法是一种垃圾回收算法，其核心思想是将堆内存分为两个相同的空间，即From空间和To空间。在对象分配阶段，只能使用其中一个空间（通常是From空间）。在垃圾回收阶段，存活的对象被复制到另一个未使用的空间（To空间）。完成复制后，两个空间的角色互换，原先的From空间变成To空间，而原先的To空间变成新的From空间。

完整的复制算法执行过程如下：

1. 将整个堆内存分割成两个等大的空间，即From空间和To空间。
2. 在对象分配阶段，新创建的对象只能在From空间中分配。
3. 当垃圾回收阶段开始时，所有从GC Root开始的存活对象将被复制到To空间中。
4. 接着，将GC Root及其关联的对象也复制到To空间中。
5. 最后，清理From空间中的所有对象，并将两个空间的名称互换。

案例：

将整个堆内存分割成两个等大的空间，即From空间和To空间。在对象分配阶段，新创建的对象只能在From空间中分配。

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当垃圾回收阶段开始时，所有从GC Root开始的存活对象将被复制到To空间中，接着，将GC Root及其关联的对象也复制到To空间中。

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清理From空间中的所有对象，并将两个空间的名称互换。

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复制算法的优点：

• 吞吐量高：由于只需要遍历一次存活对象并将其复制到To空间，因此性能较好。相比之下，标记-整理算法需要两次遍历过程，标记-清除算法不需要移动对象。
• 不会发生内存碎片化：由于在复制后对象按顺序放置在To空间中，因此对象以外的区域都是可用空间，不存在内存碎片化问题。

复制算法的缺点：

• 内存使用效率低：由于每次只能使用一半的内存空间来创建对象，因此内存利用率相对较低。这意味着在其他算法可以处理更多对象时，复制算法可能会浪费一半的内存空间。

3.标记整理算法

标记整理算法也被称为标记压缩算法，旨在解决标记清除算法中容易出现的内存碎片化问题。其核心思想分为两个阶段：

• 标记阶段：这个阶段与标记清除算法中的标记阶段类似。通过可达性分析，从GC Root开始，遍历引用链以标记所有存活的对象。
• 整理阶段：在这一阶段，所有存活的对象被移动到堆内存的一端。这有助于消除内存碎片，并使内存空间连续可用。

案例：

将所有存活的对象移动到堆内存的一端。

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标记整理算法的优点：

• 内存使用效率高：整个堆内存都可以被充分利用，不会像复制算法那样只能使用半个堆内存。
• 防止内存碎片化：由于在整理阶段将存活对象移动到堆的一侧，剩余的空间可以连续地用于分配新对象，从而避免了内存碎片化问题。

标记整理算法的缺点：

• 整理阶段的效率问题：虽然存在一些高效的整理算法（如Two-Finger、表格算法、ImmixGC等），但标记整理算法的整体性能可能不如复制算法或标记清除算法。例如，某些实现可能需要遍历整个堆中的对象多次，这可能导致性能瓶颈。

为了提高标记整理算法的性能，可以采用一些优化策略。例如，使用更高效的标记和整理算法，或者结合其他垃圾回收算法（如复制算法或分代收集算法）来提高整体效率。通过合理的算法选择和优化，可以更好地平衡垃圾回收的效率和内存使用效率。

4.分代垃圾回收算法

分代垃圾回收算法是一种优秀的垃圾回收算法，它将整个内存区域划分为年轻代和老年代，以更高效地管理内存中的对象。这种算法通过将不同生命周期的对象划分到不同的区域，来优化垃圾回收的效率和性能。

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分代回收时，新创建的对象首先会被放入Eden伊甸园区 。随着在Eden区中对象数量的增加，如果Eden区已满，新创建的对象将无法放入，此时会触发年轻代的GC （Minor GC 或Young GC ）。Minor GC会回收Eden区 和From区 需要回收的对象，并将未被回收的对象放入To区。

随后，S0会变成To区，S1变成From区。当Eden区再次满时，继续往里放入对象，会再次触发Minor GC。这次会回收Eden区和S1（From）中的对象，并将Eden和From区中剩余的对象放入S0。

在每次Minor GC中，都会为对象记录年龄，初始值为0，每次GC后加1。如果Minor GC后对象的年龄达到阈值 （最大15，默认值与垃圾回收器有关），该对象将被晋升至老年代。

当老年代中空间不足，无法放入新的对象时，会先尝试Minor GC。如果仍然无法满足空间需求，就会触发Full GC 。Full GC会对整个堆 进行垃圾回收。如果Full GC仍然无法回收老年代中的对象，当继续尝试放入对象时，就会抛出Out Of Memory异常。

案例：

分代回收时，创建出来的对象，首先会被放入Eden伊甸园区。

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当Eden区满时，Minor GC或Young GC会被触发。Minor GC会回收Eden区和From区中的对象，并将未被回收的对象放入To区。

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S0会变成To区，S1变成From区（未被回收的对象放在From区）。当Eden区再次满时，Minor GC会被触发，回收Eden区和S1(from)中的对象，并将剩余对象放入S0区。每次Minor GC会记录对象的年龄。

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Minor GC后对象的年龄达到阈值（最大15，默认值和垃圾回收器有关），对象就会被晋升至老年代。

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当老年代空间不足，Minor GC后仍然无法放入新对象时，会触发Full GC，对整个堆进行垃圾回收。如果Full GC无法回收老年代的对象，当继续放入新对象时，会抛出Out Of Memory异常。

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在JDK 8中，可以使用**-XX:+UseSerialGC**参数来启用分代回收的垃圾回收器，并在运行程序时使用Arthas工具来查看分代之后的内存情况。通过Arthas的memory命令，可以显示出三个区域的内存情况，包括年轻代、老年代和元空间。

调整内存区域的大小：

参数名	参数含义
-Xms	设置堆的最小和初始大小，必须是1024倍数且大于1MB
-Xmx	设置最大堆的大小，必须是1024倍数且大于2MB
-Xmn	新生代的大小
-XX:SurvivorRatio=	伊甸园区和幸存区的比例，默认为8；案例：新生代1g内存，伊甸园区800MB，S0和 S1各100MB
-XX:+PrintGCDetails verbose:gc	打印GC日志

案例（JDK 8中）：

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        List<Object> list = new ArrayList<>();
        int count = 0;
        while (true){
            System.in.read();
            System.out.println(++count);
            list.add(new byte[1024 * 1024 * 1]);
        }
    }

调整内存区域的大小：

-XX:+UseSerialGC  -Xms60m -Xmn20m -Xmx60m -XX:SurvivorRatio=3  -XX:+PrintGCDetails

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通过Arthas的memory命令，查看三个区域的内存情况：

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eden_space	伊甸园区
survivor_space	幸存区
tenured_gen	老年代

通过合理地调整内存区域的大小和配置参数，可以更好地平衡垃圾回收的效率和内存使用效率。分代垃圾回收算法的应用广泛，是一种有效的垃圾回收策略，适用于各种应用场景。

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总结

JVM是Java程序的运行环境，负责字节码解释、内存管理、安全保障、多线程支持、性能监控和跨平台运行。本文主要介绍了垃圾回收算法评价标准、标记清除算法、复制算法、标记整理算法、分代垃圾回收算法等内容，希望对大家有所帮助。