Jvm-垃圾回收算法

垃圾回收算法

回收对象算法

引用计数算法

引用计数算法的核心作用是自动管理内存。它能够实时地追踪每个对象在程序中被引用的状态，一旦确定某个对象不再被任何部分使用（即引用计数为 0），就立即回收其占用的内存，从而防止内存泄漏，实现资源的自动化管理。

机制

引用计数算法的原理非常直观，可以概括为"计数归零即回收"。

1、维护计数器 ：为堆中的每一个对象关联一个整型的引用计数器，用于记录当前有多少个指针或引用指向该对象。

2、计数增减

增加 (Retain/Increment)：每当有一个新的引用指向该对象时（例如，将对象赋值给一个新变量、作为参数传递给方法、或放入一个容器中），其引用计数器就加1。
减少 (Release/Decrement)：每当一个指向该对象的引用失效时（例如，引用变量被重新赋值、超出作用域、或被显式删除），其引用计数器就减 1。

3、触发回收 ：当对象的引用计数器值变为 0 时，意味着程序中再无任何地方可以访问到它，该对象即成为"垃圾"，可以被立即回收。

代码示例

java 复制代码

class ReferenceCountedObject {
    // 引用计数器，初始值为1（对象创建时自身持有一个引用）
    private int refCount = 1;

    // 增加引用
    public void retain() {
        refCount++;
    }

    // 减少引用
    public void release() {
        refCount--;
        // 计数为0时，可被回收
        if (refCount == 0) {
            System.out.println("对象可被回收");
        }
    }
}

优点

1、回收及时 ：对象的引用计数一旦归零，内存就可以被立即回收，无需等待特定的垃圾回收周期。这使得内存能够被快速复用，实时性非常高。

2、无全局停顿 (STW) ：垃圾回收的动作是分散在程序运行过程中的，每次引用增减都可能触发回收，因此不会出现为了执行全局垃圾回收而暂停所有用户线程（Stop-The-World）的情况，程序的停顿时间极短且平滑。

3、实现简单：算法逻辑直观，易于理解和实现。

缺点

1、无法解决循环引用 ：这是引用计数算法最致命的缺陷。如果两个或多个对象之间相互引用 ，但已经不再被程序的其他部分所使用，它们的引用计数将永远不会变为 0，导致这些"垃圾"对象无法被回收，从而造成内存泄漏。

示例：对象 A 引用了对象 B，同时对象 B 也引用了对象 A。即使外部对 A 和 B 的引用都消失了，它们彼此的引用计数也至少为 1，导致无法回收。

2、性能开销 ：每次对对象进行引用赋值或使其失效时，都需要同步地更新其引用计数器（加 1 或减 1）。在多线程环境下，为了保证计数的准确性，这个操作还需要是原子性的，这带来了额外的性能开销。

3、空间开销：每个对象都需要额外的空间来存储其引用计数器，这在对象数量庞大的场景下会占用可观的内存。

可达性分析算法(GC Roots)

可达性分析算法的核心作用是精准地识别堆内存中"已死亡"的对象。它通过判断一个对象是否还能被程序中的"活动部分"访问到，来决定该对象是否可以被垃圾回收器安全地回收，从而有效管理内存，防止内存泄漏。

机制

算法将内存中所有存活的对象看作一个复杂的对象图。它从一组被称为 "GC Roots" 的根对象出发，像图遍历一样，沿着对象之间的引用关系向下搜索。所有能被 GC Roots 直接或间接访问到的对象都被认为是"可达的"（即存活的），而那些无法从任何 GC Roots 到达的对象则被标记为"不可达的"（即死亡的）。

GC Roots内容：

虚拟机栈（栈帧中的局部变量表）中引用的对象：例如，当前正在执行的方法中的局部变量。
方法区中静态属性引用的对象 ：例如，被 static 关键字修饰的类变量。
方法区中常量引用的对象：例如，字符串常量池中的常量。
本地方法栈中 JNI（Native 方法）引用的对象。
正在运行的线程对象。

为了高效地执行可达性分析，现代 JVM 通常采用三色标记法来优化，尤其是在并发标记阶段。它将对象标记为三种颜色：

白色 (White)：表示对象尚未被垃圾回收器访问过。在分析的初始阶段，所有对象都是白色的。分析结束后，所有仍是白色的对象即为不可达对象，可以被回收。
灰色 (Grey)：表示对象已被垃圾回收器访问过，但它所引用的其他对象还没有被完全扫描。
黑色 (Black)：表示对象已被垃圾回收器完全访问过，它自身以及它所引用的所有对象都已被标记为非白色（灰色或黑色）。

标记流程

1、将所有 GC Roots 对象标记为灰色，并放入一个待处理的队列中。

2、从队列中取出一个灰色对象，将其引用的所有白色对象标记为灰色，并加入队列。然后，将该对象自身标记为黑色。

3、重复步骤 2，直到灰色队列为空。此时，所有可达对象都已被标记为黑色，所有白色对象即为不可达对象，可以被回收。

优点

1、解决循环引用：这是可达性分析算法相比引用计数算法最大的优势。即使两个或多个对象之间相互引用，只要它们整体上与 GC Roots 断开连接，算法就能正确地识别出它们都是不可达的，从而一并回收，彻底解决了循环引用导致的内存泄漏问题。

2、准确性高：通过从程序的"根"开始全面扫描，能够非常准确地判断出哪些对象是真正在使用的，哪些是垃圾，减少了误回收的风险。

缺点

1、需要全局停顿 (STW)：为了保证可达性分析结果的准确性，算法必须在一个"一致性快照"中进行。这意味着在分析的初始阶段（枚举 GC Roots），必须暂停所有用户线程（Stop-The-World），以防止对象的引用关系在分析过程中发生变化，导致结果不准确。这会造成应用程序的短暂停顿。

2、实现复杂：相比于简单的引用计数，可达性分析的实现要复杂得多，尤其是在处理并发标记、对象移动等问题时，需要复杂的算法（如三色标记、写屏障等）来保证效率和正确性。

3、分析耗时：当堆内存中的对象数量非常庞大、对象图非常复杂时，遍历整个对象图需要消耗一定的时间，这可能会影响垃圾回收的整体效率。

对象收集算法

标记-清除算法 (Mark-Sweep)

作用: 识别并回收堆内存中不再使用的对象。

机制与原理: 算法分为两个阶段：

1、标记 (Mark): 从 GC Roots 出发，遍历并标记出所有存活的对象。

2、清除 (Sweep): 遍历整个堆内存，回收所有未被标记的对象。

优点：

实现简单: 逻辑清晰，易于实现。
无需移动对象: 存活对象的位置不变，减少了部分开销。

缺点：

产生内存碎片: 回收后会留下大量不连续的空闲内存块，可能导致后续无法分配大对象，从而提前触发下一次 GC。
效率问题: 标记和清除两个阶段都需要遍历内存，当存活对象或垃圾对象很多时，效率会下降。

标记-复制算法 (Mark-Copy)

为了解决"标记-清除"算法的内存碎片问题而诞生。

作用: 在回收垃圾的同时，保证内存空间的连续性，消除碎片。

机制与原理:

1、将可用内存划分为两块大小相等的区域（通常称为 From 区和 To 区）。

2、每次只使用 From 区。当 From 区满了，就将其中所有存活的对象复制到 To 区。

3、然后一次性清空 From 区的所有内存。

4、交换 From 区和 To 区的角色，下次 GC 时重复此过程。

优点：

无内存碎片: 存活对象被连续地复制到新区域，内存分配变得非常简单高效。
效率高: 只需复制存活对象，在存活对象很少的场景下（如新生代）效率极高。

缺点：

空间利用率低: 需要预留一倍的内存空间，实际可用内存只有 50%。
复制开销: 当对象存活率很高时，复制操作的成本会非常昂贵。

标记-整理算法 (Mark-Compact)

该算法结合了"标记-清除"和"标记-复制"的优点，旨在解决存活对象多且不希望有内存碎片的场景。

作用: 在避免内存碎片的同时，保持较高的内存利用率，特别适合处理长期存活的对象。

机制与原理:

1、标记 (Mark): 与"标记-清除"算法一样，先标记出所有存活的对象。

2、整理 (Compact): 将所有存活的对象向内存空间的一端移动，然后直接清理掉边界以外的所有内存。

优点：

无内存碎片: 通过移动对象，保证了内存空间的连续性。
内存利用率高: 不需要像复制算法那样预留额外空间。

缺点：

移动开销大: 整理阶段需要移动大量存活对象，并更新所有引用这些对象的地址，这个过程成本较高，效率低于复制算法。

分代收集算法 (Generational Collection)

这并非一种独立的、具体的算法，而是一种基于对象生命周期理论的内存管理策略。现代 JVM 的垃圾回收器都采用这种思想。

作用: 根据对象存活周期的不同，将堆内存划分为不同区域，并对不同区域采用最合适的回收算法，以实现整体性能的最优化。

机制与原理:

基于"弱分代假说"（绝大多数对象都是朝生夕死的）和"强分代假说"（熬过越多次 GC 的对象越难以死亡）。

将堆内存划分为新生代 (Young Generation) 和老年代 (Old Generation)。

1、新生代 : 对象"朝生夕死"，存活率极低。因此采用标记-复制算法，效率极高。新生代内部又细分为 Eden 区和两个 Survivor 区（From/To）。

2、老年代 : 存放长期存活的对象，存活率高。因此采用标记-整理 或标记-清除算法，避免高昂的复制成本。

优点：

综合性能最优: 充分利用了不同算法的优势，将高频、低成本的 GC（Minor GC）和低频、高成本的 GC（Major/Full GC）分离开。
适应性强: 完美契合了程序中对象的实际生命周期特征。

缺点：

实现复杂: 需要维护不同代之间的对象引用和晋升机制，实现起来比单一算法复杂得多。

对比总结

算法	核心思想	优点	缺点	主要应用场景
标记-清除	标记存活对象，然后清除垃圾	实现简单，不移动对象	产生内存碎片，效率不稳定	老年代（早期或特定回收器）
标记-复制	将存活对象复制到新区，清空旧区	无内存碎片，存活对象少时效率极高	空间利用率低（50%），存活对象多时开销大	新生代
标记-整理	标记存活对象，然后将其向一端移动整理	无内存碎片，内存利用率高	移动对象开销大，效率较低	老年代
分代收集	按对象生命周期分代，不同代用不同算法	综合性能最优，符合对象生存规律	实现复杂	现代JVM的整体策略