JVM中垃圾收集算法的示例分析

這篇文章給大家分享的是有關(guān)JVM中垃圾收集算法的示例分析的內(nèi)容。小編覺得挺實用的，因此分享給大家做個參考，一起跟隨小編過來看看吧。

一、什么是垃圾

本文要講的是垃圾收集算法，那么首先要確定的問題就是什么是垃圾，也就是哪些對象是要被回收的，對此有兩種判斷方式：

1.1 引用計數(shù)算法

什么樣的對象是要被回收的，很明顯，沒有被引用的對象才要被回收。因此在對象中加一個引用計數(shù)器，當(dāng)有一個對象引用該對象的時候，計數(shù)器就加一，當(dāng)引用結(jié)束后，計數(shù)器就減一，當(dāng)計數(shù)器為0的時候，對象就可以被回收了。

1.1.1 優(yōu)點

• 原理簡單

• 判斷效率高

1.1.2 缺點

• 需要花費額外的內(nèi)存空間（引用計數(shù)器）

• 無法回收相互循環(huán)引用的對象：比如有對象A和對象B，A引用B，B引用A，兩對象的引用計數(shù)器都為1，理論上來說，沒有其他對象能夠引用到A和B了，因此這兩個對象應(yīng)該被回收，然后按照引用計數(shù)算法的判斷，這兩個對象無法被回收。（要克服這個缺點，需要在代碼中做很多特殊處理）

1.2 可達(dá)性分析算法

因為引用計數(shù)算法的缺陷，各大主流的商用程序語言都采用可達(dá)性分析算法來判斷對象是否需要被回收?？蛇_(dá)性顧名思義，是指對象跟對象之間有引用關(guān)系，此處有兩種引用關(guān)系：

• 對象A引用對象B，則稱對象A到對象B可達(dá)

• 對象A引用對象B，對象B引用對象C，對象A可以通過若干個對象（此處為對象B）引用到對象C，則稱對象A到對象C可達(dá)。

要判斷一個對象是否可達(dá)，首先要有一個根對象，在Java中有一系列被稱為“GC Roots”的根對象作為起始節(jié)點集，任何從“GC Roots”不可達(dá)的對象都是需要被垃圾收集器回收的垃圾。

1.2.1 優(yōu)點

可以有效解決引用計數(shù)算法的相互循環(huán)引用問題

 二、什么是引用

在討論什么是垃圾的時候，多次提到引用一詞，那么什么是引用呢？

2.1 JDK1.2以前

按照書中的說法，在JDK1.2以前，引用的意思是：如果reference類型的數(shù)據(jù)中存儲的數(shù)值代表的是另外一塊內(nèi)存的起始地址，就稱該reference數(shù)據(jù)是代表某塊內(nèi)存、某個對象的引用。
在這種定義下可以發(fā)現(xiàn)，對于一個對象來說，就只有未被引用和被引用兩種狀態(tài)了，但其實可以發(fā)現(xiàn)，在實際應(yīng)用中，并不是一定要把對象回收掉的，書中有個詞就很貼切，“食之無味，棄之可惜”，我們想要的是當(dāng)內(nèi)存空間足夠的時候，把這部分本該回收的對象留著不回收，當(dāng)內(nèi)存不夠的時候，就將其回收。

2.2 JDK1.2之后

因此在JDK1.2之后，引用的概念就擴(kuò)張到了以下四種：

• 強(qiáng)引用：指傳統(tǒng)意義上的引用，有強(qiáng)引用的對象是肯定不被回收的；

• 軟引用：用于描述一些還有用，但非必須的對象，當(dāng)要發(fā)生內(nèi)存溢出的時候，就會回收軟引用對象；

• 弱引用：用于描述非必須對象，強(qiáng)度比軟引用弱一點，當(dāng)垃圾收集器開始工作，無論內(nèi)存夠不夠都會回收弱引用對象；

• 虛引用：虛引用意思就是這個引用跟沒有一樣，對對象完全沒有印象，其存在的唯一作用就是在對象被垃圾收集器回收時能收到一個系統(tǒng)通知。

三、垃圾判斷全流程

按照書中所述，我畫了個流程圖，如下：

一個對象在被回收前，需要進(jìn)行兩次標(biāo)記，第一次進(jìn)行可達(dá)性分析后，對象被垃圾收集器認(rèn)為是垃圾，則對對象進(jìn)行第一次標(biāo)記，然后垃圾收集器會給予對象一次自救的機(jī)會，不然就沒必要兩次標(biāo)記了，一次標(biāo)記直接回收就好了。
我們都知道對象有個finalize()方法，自救的機(jī)會就在這個方法中，當(dāng)?shù)谝淮螛?biāo)記后，垃圾收集器會對對象做一次篩選，篩選條件是要不要執(zhí)行對象的finalize()方法，如果開發(fā)者未對finalize()方法進(jìn)行覆寫或者虛擬機(jī)已經(jīng)執(zhí)行過該對象的finalize()方法了，那么自然就不用再執(zhí)行了，反之則需要執(zhí)行。
將篩選出來的需要執(zhí)行finalize()方法的對象放入一個特定的隊列中，由虛擬機(jī)統(tǒng)一執(zhí)行，如果finalize()方法中使得對象被別的對象引用了，導(dǎo)致可達(dá)性分析認(rèn)為對象是可用的，那么自救就成功了。
根據(jù)篩選的條件可以知道，對象的自救機(jī)會在整個程序中只有一次，因為finalize()方法只會被執(zhí)行一次。
需要注意的是，官方明確申明不推薦使用finalize()方法，因為使用它的不確定性太大。對于資源清理等操作，try…catch語法可以做的更好。

四、垃圾收集算法

大多數(shù)虛擬機(jī)的垃圾收集都采用了分代收集的形式，這是因為三條經(jīng)驗法則：

• 弱分代假說：絕大多數(shù)對象都是朝生夕死的；

• 強(qiáng)分代假說：熬過越多次垃圾收集過程的對象就越難以消亡

• 跨代引用假說：跨代引用相對于同代引用來說僅占極少數(shù)

因為對象的生存周期是不一樣的，所以我們不能對所有對象采用同一種垃圾收集算法，采用分代收集，將有共性的對象放在一個集合里，會大大地提高垃圾收集效率。
按照上述經(jīng)驗法則，可以將堆內(nèi)存分為兩代：

• 新生代：對應(yīng)弱分代假說

• 老年代：對應(yīng)強(qiáng)分代假說

下面分別介紹三種垃圾收集算法：

4.1 標(biāo)記-清除算法

標(biāo)記-清除算法是最基礎(chǔ)的垃圾收集算法，顧名思義，標(biāo)記就是判斷對象是否是垃圾，也就是前面第四節(jié)講到的內(nèi)容，清除就是統(tǒng)一回收垃圾，該算法有兩種執(zhí)行過程：

• 標(biāo)記所有需要被回收的對象，統(tǒng)一回收所有標(biāo)記的對象；

• 標(biāo)記所有存活對象，統(tǒng)一回收所有未被標(biāo)記的對象。

標(biāo)記-清除算法示意圖：

標(biāo)記-清除算法有兩大缺點：

• 執(zhí)行效率不穩(wěn)定：標(biāo)記和清除兩個過程的執(zhí)行效率隨對象數(shù)量的增加而降低

• 內(nèi)存空間碎片化：執(zhí)行完標(biāo)記和清除后，會產(chǎn)生大量的不連續(xù)的內(nèi)存碎片，當(dāng)分配大對象的時候，如果找不到足夠的連續(xù)內(nèi)存，那么會提前觸發(fā)下一次垃圾收集。

4.2 標(biāo)記-復(fù)制算法

基于標(biāo)記-清除算法的缺點，標(biāo)記-復(fù)制算法將內(nèi)存空間一分為二，兩塊內(nèi)存空間等大，每次只使用其中一塊內(nèi)存空間，當(dāng)這一塊內(nèi)存空間用完了，就把存活的對象復(fù)制到另一塊內(nèi)存空間中，然后一次性清理所有已使用的內(nèi)存空間。

標(biāo)記-復(fù)制算法示意圖：

標(biāo)記-復(fù)制算法解決了標(biāo)記-清除算法面對大量可回收對象場景下的不足之處，面對這種情況，標(biāo)記-復(fù)制算法只需要將內(nèi)存空間中的存活對象復(fù)制到另一半內(nèi)存空間中，可以有效解決內(nèi)存碎片的問題，在給對象分配內(nèi)存的時候，只需要移動堆頂指針按順序分配即可，不過這個算法也有缺點：

• 面對大量不可回收對象的時候，會產(chǎn)生大量內(nèi)存間對象復(fù)制的開銷；

• 原先的內(nèi)存空間縮小了一半，會造成嚴(yán)重的空間浪費

4.3 標(biāo)記-整理算法

標(biāo)記-復(fù)制算法不足以應(yīng)對有大量存活對象的場景，因此就有了標(biāo)記-整理算法，該算法的執(zhí)行流程如下：

• 與其他算法一樣，首先對對象進(jìn)行標(biāo)記；

• 將所有存活對象往內(nèi)存的一個方向移動；

• 直接清理掉邊界以外的內(nèi)存

標(biāo)記-整理算法示意圖：

標(biāo)記-整理算法同樣可以解決內(nèi)存碎片化問題，并且不會造成空間浪費，不過它也有缺點：

在大量對象存活的情況下，移動對象并更新引用也會花費大量時間

4.4 應(yīng)用

不同的場景適用不同的垃圾收集算法，像標(biāo)記-復(fù)制算法就適用于存活對象少的情況下，也就是新生代區(qū)域，像標(biāo)記-整理算法就適用于存活對象多的情況下，也就是老年代。
這里有點需要注意的是，標(biāo)記-整理算法對于老年代來說也不是完美的，在5.3節(jié)我們說過，在大量對象存活的情況下，移動對象和更新引用也是要花費大量時間的，不過算法這個東西吧，它比的是誰更適合，對于標(biāo)記-復(fù)制算法來說，我把區(qū)域一分為二，如果大量對象存活，我要把對象全部復(fù)制到另一塊內(nèi)存區(qū)域，這個開銷不見得比標(biāo)記-整理算法少，并且它還有個缺點就是可用內(nèi)存一下子少了一半，這個問題在標(biāo)記-整理算法中是沒有的。也有的虛擬機(jī)采用標(biāo)記-清除算法與標(biāo)記-整理算法協(xié)作的垃圾收集方案，沒有最適合，只有更適合。

4.5 優(yōu)化

前面講標(biāo)記-復(fù)制算法的時候說到要把內(nèi)存區(qū)域等半分，這是在沒有規(guī)定場景的情況下，在新生代中采用該垃圾收集算法可以做更好的優(yōu)化。

眾所周知，新生代中的對象都是朝生夕死的，因此當(dāng)標(biāo)記完成后的存活對象肯定是少量的，根據(jù)這個現(xiàn)象，可以將內(nèi)存區(qū)域非等半分，比如說9:1的分法，這里我們將90%的內(nèi)存區(qū)域稱為Eden空間，將10%的內(nèi)存區(qū)域稱為Survivor空間，一開始使用Eden空間的內(nèi)存，當(dāng)垃圾收集時，將Eden空間的存活對象復(fù)制到Survivor空間中。
這里肯定有人要問了，那下一次使用Survivor空間不是就只有10%的內(nèi)存了嗎？

對的，所以這里有兩種解決方案：

• 將存活對象從Eden空間復(fù)制到Survivor空間后，再從Survivor空間復(fù)制回Eden空間；

• 從Eden空間再分離出一個Survivor空間，每次可使用的內(nèi)存為一個Eden空間和一個Survivor空間，當(dāng)垃圾收集時，將使用的內(nèi)存區(qū)域中的存活對象復(fù)制到另一個Survivor空間中，下一次的可用內(nèi)存則為Eden空間和這個Survivor空間，如此循環(huán)往復(fù)。

第二種方法就是大名鼎鼎的半?yún)^(qū)復(fù)制分代策略，現(xiàn)在叫Appel式回收，因為提出這個策略的人叫Apple，目前很多虛擬機(jī)在新生代的垃圾收集算法中采用這個策略。

4.5.1 缺點

半?yún)^(qū)復(fù)制分代策略也是有缺點的，從上面的敘述中我們可以知道，Eden空間和Survivor空間的內(nèi)存占比為8:1:1，如果當(dāng)垃圾收集后的存活對象所需要的內(nèi)存空間大于一個Survivor空間時，那就難辦了。

4.5.2 補(bǔ)丁

既然Survivor空間的內(nèi)存不夠放存活對象了，那就去借內(nèi)存區(qū)域，這個借當(dāng)然不能跟Eden空間和Survivor空間借，不然會影響到整個算法，增加算法的復(fù)雜度。新生代不能借，那就跟老年代借，這里就有一個所謂的內(nèi)存分配擔(dān)保，放不下的存活對象將直接通過分配擔(dān)保機(jī)制進(jìn)入到老年代中。有了這個“逃生門”一樣的設(shè)計，這個策略才算是沒有漏洞。

五、寫在后面

幾個垃圾收集算法的圖是我直接截了書里面的圖，因為我覺得它講的很詳細(xì)了，第四節(jié)垃圾判斷過程在書中實際上是一長串的代碼，看懂不難，不過我想畫個流程圖可能更清楚點，這個流程圖是用plantUML畫出來的，這個工具可以用代碼畫出各種圖，功能強(qiáng)大，有興趣的可以百度搜搜，下面是這個流程圖的代碼：

@startuml
start
:對對象進(jìn)行可達(dá)性分析;
if (對象是否為垃圾?) then (是)
    :進(jìn)行第一次標(biāo)記;
    if (對象沒有覆蓋finalize()方法 或 finalize()方法已經(jīng)被虛擬機(jī)調(diào)用) then(是)
        :沒必要執(zhí)行對象的finalize()方法;
    else (否)
        :將對象放入隊列F-Queue中;
        :等待虛擬機(jī)的Finalizer線程執(zhí)行對象的finalize()方法;
        :執(zhí)行對象的finalize()方法;
    endif
    if (對象是否為垃圾?) then (是)
        :進(jìn)行第二次標(biāo)記;
        :垃圾回收;
    else (否)
        stop
    endif
else (否)
    stop
endif
stop
@enduml

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