JVM学习----垃圾回收相关算法

JVM学习----垃圾回收相关算法

文章目录

• 垃圾回收相关算法
• • 标记阶段
  • • 引用计数法
    • 可达性分析算法
    • 对象的finalize()方法
  • 清除阶段
  • • 标记-清除算法（Mark-Sweep） 老年代
    • 复制算法（copying） 新生代
    • 标记-压缩(整理)算法（Mark-Compact） 老年代
  • 小结
  • 分代收集算法
  • • 年轻代（Young Gen）
    • 老年代（Tenured Gen）
  • 增量收集算法与分区算法
  • • • 增量收集算法
    • 分区算法

垃圾回收相关算法 标记阶段

JVM采用的是可达性分析法 标记的存活对象

引用计数法

一个对象A如果没有任何与之关联的引用， 即A的引用计数为 0， 则说明对象不太可能再被用到，那么这个对象就是可回收对象。 对于循环引用(对象内部的引用形成了一个循环)的对象无法标记。

可达性分析算法

用来解决引用计数法的循环引用问题 。不可达对象不等价于可回收对象， 不可达对象变为可回收对象至少要经过两次标记过程。两次标记后仍然是可回收对象，则将面临回收。

基本思路

• 可达性分析算法是以根对象集合（GCRoots）为起始点，按照从上至下的方式搜索被根对象集合所连接的目标对象是否可达。

• 使用可达性分析算法后，内存中的存活对象都会被根对象集合直接或间接连接着，搜索所走过的路径称为引用链（Reference Chain）

• 如果目标对象没有任何引用链相连，则是不可达的，就意味着该对象己经死亡，可以标记为垃圾对象。

• 在可达性分析算法中，只有能够被根对象集合直接或者间接连接的对象才是存活对象。

在Java语言中，GC Roots包括以下几类元素：

• 虚拟机栈中引用的对象

• • 比如：各个线程被调用的方法中使用到的参数、局部变量等。

• 本地方法栈内JNI（通常说的本地方法）引用的对象

• 方法区中类静态属性引用的对象

• • 比如：Java类的引用类型静态变量

• 方法区中常量引用的对象

• • 比如：字符串常量池（String Table）里的引用

• 所有被同步锁synchronized持有的对象

• Java虚拟机内部的引用。

• • 基本数据类型对应的Class对象，一些常驻的异常对象（如：NullPointerException、OutOfMemoryError），系统类加载器。

• 反映java虚拟机内部情况的JMXBean、JVMTI中注册的回调、本地代码缓存等。

除了这些固定的GC Roots集合以外，根据用户所选用的垃圾收集器以及当前回收的内存区域不同，还可以有其他对象“临时性”地加入，共同构成完整GC Roots集合。比如：分代收集和局部回收（PartialGC）。

对象的finalize()方法

垃圾回收此对象之前，总会先调用这个对象的finalize()方法，且只会被调用一次。

判定一个对象objA是否可回收，至少要经历两次标记过程：

1. 如果对象objA到GC Roots没有引用链，则进行第一次标记。
2. 进行筛选，判断此对象是否有必要执行finalize()方法
3. 如果对象objA没有重写finalize()方法，或者finalize()方法已经被虚拟机调用过，则虚拟机视为“没有必要执行”，objA被判定为不可触及的。
4. 如果对象objA重写了finalize()方法，且还未执行过，那么objA会被插入到F-Queue队列中，由一个虚拟机自动创建的、低优先级的Finalizer线程触发其finalize()方法执行。
5. finalize()方法是对象逃脱死亡的最后机会，稍后GC会对F-Queue队列中的对象进行第二次标记。如果objA在finalize()方法中与引用链上的任何一个对象建立了联系，那么在第二次标记时，objA会被移出“即将回收”集合。之后，对象会再次出现没有引用存在的情况。在这个情况下，finalize方法不会被再次调用，对象会直接变成不可触及的状态，也就是说，一个对象的finalize方法只会被调用一次。

清除阶段

目前在JVM中比较常见的三种垃圾收集算法是：标记一清除算法（Mark-Sweep）、复制算法（copying）、标记-压缩算法（Mark-Compact）

标记-清除算法（Mark-Sweep） 老年代

执行过程

当堆中的有效内存空间（available memory）被耗尽的时候，就会停止整个程序（也被称为stop the world），然后进行两项工作，第一项则是标记，第二项则是清除

• 标记：Collector从引用根节点开始遍历，标记所有被引用的对象。一般是在对象的Header中记录为可达对象。

• 清除：Collector对堆内存从头到尾进行线性的遍历，如果发现某个对象在其Header中没有标记为可达对象，则将其回收

缺点

• 标记清除算法的效率不算高

• 在进行GC的时候，需要停止整个应用程序，用户体验较差

• 这种方式清理出来的空闲内存是不连续的，产生内存碎片，需要维护一个空闲列表

复制算法（copying） 新生代

核心思想：

将活着的内存空间分为两块，每次只使用其中一块，在垃圾回收时将正在使用的内存中的存活对象复制到未被使用的内存块中，之后清除正在使用的内存块中的所有对象，交换两个内存的角色，最后完成垃圾回收。

优点

• 没有标记和清除过程，实现简单，运行高效

• 复制过去以后保证空间的连续性，不会出现“碎片”问题。

缺点

• 此算法的缺点也是很明显的，就是需要两倍的内存空间。

• 对于G1这种分拆成为大量region的GC，复制而不是移动，意味着GC需要维护region之间对象引用关系，不管是内存占用或者时间开销也不小

标记-压缩(整理)算法（Mark-Compact） 老年代

执行过程

1. 第一阶段和标记清除算法一样，从根节点开始标记所有被引用对象
2. 第二阶段将所有的存活对象压缩到内存的一端，按顺序排放。
3. 之后，清理边界外所有的空间。

优点

• 消除了标记-清除算法当中，内存区域分散的缺点，我们需要给新对象分配内存时，JVM只需要持有一个内存的起始地址即可。

• 消除了复制算法当中，内存减半的高额代价。

缺点

• 从效率上来说，标记-整理算法要低于复制算法。

• 移动对象的同时，如果对象被其他对象引用，则还需要调整引用的地址

• 移动过程中，需要全程暂停用户应用程序。即：STW

小结 Mark-SweepMark-CompactCopying速率中等最慢最快空间开销少（但会堆积碎片）少（不堆积碎片）通常需要活对象的2倍空间（不堆积碎片）移动对象否是是 分代收集算法

这是目前大多数JVM所采用的方法，其核心思想是根据对象存活的不同生命周期将内存划分为不同的域。一般情况下将 GC 堆划分为老生代(Tenured/Old Generation)和新生代(Young Generation)。根据不同区域选择不同的算法 。

年轻代（Young Gen）

年轻代特点：区域相对老年代较小，对象生命周期短、存活率低，回收频繁。

这种情况复制算法的回收整理，速度是最快的。复制算法的效率只和当前存活对象大小有关，因此很适用于年轻代的回收。而复制算法内存利用率不高的问题，通过hotspot中的两个survivor的设计得到缓解。

老年代（Tenured Gen）

老年代特点：区域较大，对象生命周期长、存活率高，回收不及年轻代频繁。

这种情况存在大量存活率高的对象，复制算法明显变得不合适。一般是由标记-清除或者是**标记-清除（标记-整理）**的混合实现。

• Mark阶段的开销与存活对象的数量成正比。

• Sweep阶段的开销与所管理区域的大小成正相关。

• Compact阶段的开销与存活对象的数据成正比。

以HotSpot中的CMS回收器为例，CMS是基于Mark-Sweep实现的，对于对象的回收效率很高。而对于碎片问题，CMS采用基于Mark-Compact算法的Serial Old回收器作为补偿措施：当内存回收不佳（碎片导致的Concurrent Mode Failure时），将采用Serial Old执行Full GC以达到对老年代内存的整理。

增量收集算法与分区算法 增量收集算法

基本思想

如果一次性将所有的垃圾进行处理，需要造成系统长时间的停顿，那么就可以让垃圾收集线程和应用程序线程交替执行。每次，垃圾收集线程只收集一小片区域的内存空间，接着切换到应用程序线程。依次反复，直到垃圾收集完成。

总的来说，增量收集算法的基础仍是传统的标记-清除和复制算法。增量收集算法通过对线程间冲突的妥善处理，允许垃圾收集线程以分阶段的方式完成标记、清理或复制工作

缺点

由于在垃圾回收过程中，间断性地还执行了应用程序代码，所以能减少系统的停顿时间。但是，因为线程切换和上下文转换的消耗，会使得垃圾回收的总体成本上升，造成系统吞吐量的下降。

吞吐量=运行用户代码时间/(运行用户代码时间+垃圾收集时间)

分区算法

为了控制GC产生的停顿时间，将一块大的内存区域分割成多个小块，根据目标的停顿时间，每次合理地回收若干个小区间，而不是整个堆空间，从而减少一次GC所产生的停顿。