「Java 进阶之路」系列 Day33
写在前面
垃圾回收算法这部分很多人背得出"标记清除、标记整理、复制算法"这三个名字，但问一句"复制算法要白白浪费一半内存，这么不划算的算法为什么现在的JVM还在用"，就说不清楚了。这篇把三种基础算法的原理和真正的适用场景讲清楚，为下一篇讲分代收集打好基础。
一、是什么：三种基础回收算法长什么样
标记清除（Mark-Sweep）
分两步走：先从GC Roots出发，把所有能被引用到的存活对象标记出来；再把内存里没有被标记的对象直接清除掉。这是最直观的思路，但清除之后，存活对象和被清空的位置犬牙交错地分布在内存里，会产生大量不连续的内存碎片。
标记整理（Mark-Compact）
前半步和标记清除一样，先标记存活对象；不同的是后半步------把所有存活对象整体向内存的一端移动挤压，让它们紧凑地排列在一起，再直接清理掉边界之外的剩余空间。这样处理完之后，剩下的空闲内存是连续的一整块，解决了标记清除的碎片问题，代价是"移动对象"这个操作本身有开销（不仅要搬运数据，还要同步更新所有指向这些对象的引用地址）。
复制算法（Copying）
把可用内存划分成两块相同大小的区域，每次只使用其中一块。垃圾回收发生时，把当前正在使用这一块里的存活对象，整体复制到另一块空闲区域，然后把原来那一整块内存直接清空------因为是整块清空，不需要一个个甄别哪里该清哪里不该清，效率很高，而且天然没有碎片问题（复制过去的对象是紧凑排列的）。代价很直接：能实际使用的内存永远只有总容量的一半，另一半时刻空闲着等待被交换进来。
二、为什么三种算法会共存：适用场景完全不同
三者不存在绝对的"谁比谁更好"，各自的取舍决定了它们分别适合什么场景：
| 算法 | 是否有碎片 | 内存利用率 | 存活对象多时的开销 |
|---|---|---|---|
| 标记清除 | 有 | 高 | 较低（不用移动对象，只标记和清除） |
| 标记整理 | 无 | 高 | 较高（存活对象越多，要移动、更新引用的开销越大） |
| 复制算法 | 无 | 低（永远浪费一半） | 极高（存活对象越多，要复制的数据越多） |
这张表最关键的信息藏在最后一列 ：标记整理和复制算法的开销都随着"存活对象的数量"增加而增加，只是标记整理是"移动"、复制算法是"复制"；反过来说，如果一个内存区域里的对象大部分都很快死掉、只有极少数存活下来，复制算法的复制成本就低到可以忽略------这恰好是JVM新生代的真实特点：新创建的对象绝大多数都是"朝生夕死"的临时对象，一次GC下来能存活的可能只有个位数百分比。既然要复制的对象本来就没几个，"浪费一半空间"这个代价换来的是"效率极高、没有碎片"这两个明显的好处，非常划算。
反过来，老年代的对象大多是经历过多次GC依然存活下来的"老兵"，存活率很高，如果在老年代用复制算法，每次GC要复制的对象数量会非常庞大，效率反而很差；而且老年代空间本身通常比新生代大得多，"浪费一半"这个代价在老年代场景下完全无法接受。所以老年代更适合用标记整理（或者标记清除）这类不需要为"永久闲置一半空间"买单的算法。
标记清除作为最基础、最直接的思路，虽然有碎片问题，但胜在实现简单、不需要移动对象，在内存空间比较充裕、暂时不那么在意碎片的场景下（比如某些以标记清除为主要策略的老年代收集器）依然有它的价值，是理解后面两种改进算法的基础。
三、怎么用：一句话记住三者的选型逻辑
- 对象大多"朝生夕死"、存活率低 → 用复制算法，牺牲一半空间换来极高的回收效率和零碎片
- 对象大多长期存活、存活率高 → 用标记整理，虽然移动对象有开销，但换来了没有碎片、内存利用率高
- 想要最简单直接、能接受碎片 → 用标记清除，实现简单、不用移动对象
这三条选型逻辑不是孤立存在的------它们正是现代JVM"分代收集"思想的地基：新生代对象存活率低，天然适合复制算法；老年代对象存活率高，天然适合标记整理（或标记清除）。下一篇会具体讲这套分代收集机制，以及CMS、G1、ZGC这些实际的垃圾回收器分别是怎么组合运用这些基础算法的。
四、面试追问
Q1：标记清除算法最大的缺点是什么？
会产生大量不连续的内存碎片。因为清除操作只是把没有被标记的对象所在的内存位置标记为可用，并不会移动、整理剩下的存活对象，导致空闲内存和存活对象犬牙交错地分布，如果后续需要分配一个较大的连续内存空间，即使空闲内存总量足够，也可能因为找不到足够大的连续空间而提前触发一次垃圾回收。
Q2：标记整理算法是怎么解决标记清除的碎片问题的？
标记出存活对象之后，不是直接原地清除死亡对象，而是把所有存活对象整体向内存的一端移动挤压，让它们紧凑排列，再统一清理边界之外的剩余空间。这样处理完之后剩下的空闲内存是连续的一整块，不存在碎片问题，代价是移动对象本身有开销，需要同步更新所有指向这些被移动对象的引用地址。
Q3：复制算法为什么要浪费一半的内存空间，这样设计的好处是什么？
因为复制算法每次只使用一半的内存区域，垃圾回收时把存活对象整体复制到另一半空闲区域，再把原来使用的那一半直接整体清空。好处是清空操作不需要逐一甄别该清理哪些位置，效率很高，而且复制过去的存活对象天然紧凑排列，完全没有碎片问题。代价是能实际使用的内存永远只有总容量的一半。
Q4：为什么新生代适合用复制算法，老年代不适合？
新生代里的对象绝大多数都是"朝生夕死"的临时对象，一次垃圾回收下来能存活的对象比例很低，需要被复制的对象数量本来就很少，复制的开销可以忽略不计，"浪费一半空间"换来的高效率和零碎片非常划算。老年代的对象大多是经历过多次垃圾回收依然存活的对象，存活率很高，如果用复制算法，每次都要复制大量对象，效率反而很差，而且老年代空间通常更大，浪费一半空间的代价也更难接受。
Q5：三种垃圾回收算法在效率、内存利用率、碎片问题上分别有什么取舍？
标记清除实现简单、不需要移动对象，效率相对较高，但会产生内存碎片；标记整理没有碎片问题、内存利用率高，但移动对象和更新引用有额外开销，存活对象越多开销越大；复制算法效率高、没有碎片，但要牺牲一半的内存空间不能使用，且存活对象越多需要复制的数据量也越大。三者没有绝对的优劣，要结合具体场景（比如对象的存活率高低）来选择。
下一篇预告
Day34 讲分代收集思想以及CMS、G1、ZGC这几种常见垃圾回收器该怎么选，把这篇讲的三种基础算法真正落地到实际的JVM调优场景里。