前言

首先，我們要講的是JVM的垃圾回收機(jī)制，我默認(rèn)準(zhǔn)備閱讀本篇的人都知道以下兩點(diǎn)：

• JVM是做什么的
• Java堆是什么

因?yàn)槲覀兗磳⒁v的就是發(fā)生在JVM的Java堆上的垃圾回收，為了突出核心，其他的一些與本篇不太相關(guān)的東西我就一筆略過(guò)了

眾所周知，Java堆上保存著對(duì)象的實(shí)例，而Java堆的大小是有限的，所以我們只能把一些已經(jīng)用完的，無(wú)法再使用的垃圾對(duì)象從內(nèi)存中釋放掉，就像JVM幫助我們手動(dòng)在代碼中添加一條類似于C++的free語(yǔ)句的行為

然而這些垃圾對(duì)象是怎么回收的，現(xiàn)在不知道沒(méi)關(guān)系，我們馬上就會(huì)講到

怎么判斷對(duì)象為垃圾對(duì)象

在了解具體的GC（垃圾回收）算法之前，我們先來(lái)了解一下JVM是怎么判斷一個(gè)對(duì)象是垃圾對(duì)象的
顧名思義，垃圾對(duì)象，就是沒(méi)有價(jià)值的對(duì)象，用更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼Z(yǔ)句來(lái)說(shuō)，就是沒(méi)有被訪問(wèn)的對(duì)象，也就是說(shuō)沒(méi)有被其他對(duì)象引用，這就牽引出我們的第一個(gè)判斷方案：引用計(jì)數(shù)法

引用計(jì)數(shù)法

這種算法的原理是，每有一個(gè)其他對(duì)象產(chǎn)生對(duì)A對(duì)象的引用，則A對(duì)象的引用計(jì)數(shù)值就+1，反之，每有一個(gè)對(duì)象對(duì)A對(duì)象的引用失效的時(shí)候，A對(duì)象的引用計(jì)數(shù)值就-1，當(dāng)A對(duì)象的引用計(jì)數(shù)值為0的時(shí)候，其就被標(biāo)明為垃圾對(duì)象

這種算法看起來(lái)很美好，了解C++的應(yīng)該知道，C++的智能指針也有類似的引用計(jì)數(shù)，但是在這種看起來(lái)“簡(jiǎn)單”的方法，并不能用來(lái)判斷一個(gè)對(duì)象為垃圾對(duì)象，我們來(lái)看以下場(chǎng)景：

在這個(gè)場(chǎng)景中，A對(duì)象有B對(duì)象的引用，B對(duì)象也有A對(duì)象的引用，所以這兩個(gè)對(duì)象的引用計(jì)數(shù)值均不為0，但是，A、B兩個(gè)對(duì)象明明就沒(méi)有任何外部的對(duì)象引用，就像大海上兩個(gè)緊挨著的孤島，即使他們彼此依靠著，但仍然是孤島，其他人過(guò)不去，而且由于引用計(jì)數(shù)不為0，也無(wú)法判斷為垃圾對(duì)象，如果JVM中存在著大量的這樣的垃圾對(duì)象，最終就會(huì)頻繁拋出OOM異常，導(dǎo)致系統(tǒng)頻繁崩潰

總而言之，如果有人問(wèn)你為什么JVM不采用引用計(jì)數(shù)法來(lái)判斷垃圾對(duì)象，只需要記住這一句話：引用計(jì)數(shù)法無(wú)法解決對(duì)象循環(huán)依賴的問(wèn)題

可達(dá)性分析法

引用計(jì)數(shù)法已經(jīng)很接近結(jié)果了，但是其問(wèn)題是，為什么每有一個(gè)對(duì)象來(lái)引用就要給引用計(jì)數(shù)值+1，就好像有人來(lái)敲門(mén)就開(kāi)一樣，我們應(yīng)該只給那些我們認(rèn)識(shí)的、重要的人開(kāi)門(mén)，也就是說(shuō)，只有重要的對(duì)象來(lái)引用時(shí)，才給引用計(jì)數(shù)值+1

但是這樣還不行，因?yàn)橹匾膶?duì)象來(lái)引用只要有一個(gè)就夠了，并不需要每有一個(gè)引用就+1，所以我們可以將引用計(jì)數(shù)法優(yōu)化為以下形式：

給對(duì)象設(shè)置一個(gè)標(biāo)記，每有一個(gè)“重要的對(duì)象”來(lái)引用時(shí)，就將這個(gè)標(biāo)記設(shè)為true，當(dāng)沒(méi)有任何“重要的對(duì)象”引用時(shí)，就將標(biāo)記設(shè)為false，標(biāo)記為false的對(duì)象為垃圾對(duì)象

這就是可達(dá)性分析法的雛形，我們可以繼續(xù)進(jìn)行修正，我們并不需要主動(dòng)標(biāo)記對(duì)象，而只需要等待垃圾回收時(shí)找到這些“重要的對(duì)象”，然后從它們出發(fā)，把我們能找到的對(duì)象都標(biāo)記為非垃圾對(duì)象，其余的自然就是垃圾對(duì)象

我們將上文提到的“重要的對(duì)象”命名為GC Roots，這樣就得到了最終的可達(dá)性分析算法的概念：

創(chuàng)建垃圾回收時(shí)的根節(jié)點(diǎn)，稱為GC Roots，從GC Roots出發(fā)，不能到達(dá)的對(duì)象就被標(biāo)記為垃圾對(duì)象

其中，可以作為GC Roots的區(qū)域有：

• 虛擬機(jī)棧的棧幀中的局部變量表
• 方法區(qū)的類屬性和常量所引用的對(duì)象
• 本地方法棧中引用的對(duì)象

換句話說(shuō)，GC Roots就是方法中的局部變量、類屬性，以及常量

垃圾回收算法

終于到本文的重點(diǎn)了，我們剛剛分析了如何判斷一個(gè)對(duì)象屬于垃圾對(duì)象，接下來(lái)我們就要重點(diǎn)分析如何將這些垃圾對(duì)象回收掉

標(biāo)記-清除算法

標(biāo)記-清除很容易理解，該算法有兩個(gè)過(guò)程，標(biāo)記過(guò)程和清除過(guò)程，標(biāo)記過(guò)程中通過(guò)上文提到的可達(dá)性分析法來(lái)標(biāo)記出所有的非垃圾對(duì)象，然后再通過(guò)清除過(guò)程進(jìn)行清理

比方說(shuō)，我們現(xiàn)在有下面的這樣的一個(gè)Java堆，已經(jīng)通過(guò)可達(dá)性分析法來(lái)標(biāo)記出所有的垃圾對(duì)象（用橙色表明，藍(lán)色的是普通對(duì)象）：

然后我們通過(guò)清除階段進(jìn)行清理，結(jié)果是下圖：

發(fā)現(xiàn)什么問(wèn)題了嗎，沒(méi)錯(cuò)，清理完后的空間是不連續(xù)的，也就是說(shuō)，整個(gè)算法最大的缺點(diǎn)就是：

• 會(huì)出現(xiàn)大量的空間碎片，當(dāng)需要分配大對(duì)象時(shí)，會(huì)觸發(fā)FGC，非常消耗性能

這里引出一個(gè)FGC的概念，為了避免主題跑偏，本文中暫時(shí)不進(jìn)行深入，只需要知道垃圾回收分為YGC（年輕代垃圾回收）和FGC（完全垃圾回收），可以把YGC理解為掃掃地，倒倒垃圾，把FGC理解為給家里來(lái)個(gè)大掃除

復(fù)制算法

復(fù)制算法將Java堆劃分為兩塊區(qū)域，每次只使用其中的一塊區(qū)域，當(dāng)垃圾回收發(fā)生時(shí)，將所有被標(biāo)記的對(duì)象（GC Roots可達(dá)，為非垃圾對(duì)象）復(fù)制到另一塊區(qū)域，然后進(jìn)行清理，清理完成后交換兩塊區(qū)域的可用性

這種方式因?yàn)槊看沃恍枰徽麎K一起刪除即可，就不用一個(gè)個(gè)地刪除了，同時(shí)還能保證另一塊區(qū)域是連續(xù)的，也解決了空間碎片的問(wèn)題

整個(gè)流程我們?cè)賮?lái)看一遍

1.首先我們有兩塊區(qū)域S1和S2，標(biāo)記為灰色的區(qū)域?yàn)楫?dāng)前激活可用的區(qū)域：

2.對(duì)Java堆上的對(duì)象進(jìn)行標(biāo)記，其中藍(lán)色的為GC Roots可達(dá)的對(duì)象，其余的均為垃圾對(duì)象：

3.接下來(lái)將所有可用的對(duì)象復(fù)制到另一塊區(qū)域中：

4.將原區(qū)域中所有內(nèi)容刪除，并將另一塊區(qū)域激活

這種方法的優(yōu)缺點(diǎn)也很明顯：

• 優(yōu)點(diǎn)：解決了空間不連續(xù)的問(wèn)題
• 缺點(diǎn)：空間利用率低（每次只使用一半）

為了解決這一缺點(diǎn)，就引出了下面這個(gè)算法

優(yōu)化的復(fù)制算法

至于為什么不另起一個(gè)名字，其實(shí)是因?yàn)檫@個(gè)算法也叫做復(fù)制算法，更確切的說(shuō)，剛才介紹的只是優(yōu)化算法的雛形，沒(méi)有虛擬機(jī)會(huì)使用上面的那種復(fù)制算法，所以接下來(lái)要講的，就是真正的復(fù)制算法

這個(gè)算法的思路和剛才講的一樣，不過(guò)這個(gè)算法將內(nèi)存分為3塊區(qū)域：1塊Eden區(qū)，和2塊Survivor區(qū)，其中，Eden區(qū)要占到80%

這兩塊Survivor區(qū)就可以理解為我們剛才提到的S1和S2兩塊區(qū)域，我們每次只使用整個(gè)Eden區(qū)和其中一塊Survivor區(qū)，整個(gè)算法的流程可以簡(jiǎn)要概括為：

1.當(dāng)發(fā)生垃圾回收時(shí)，將Eden區(qū)+Survivor區(qū)中仍然存活的對(duì)象一次性復(fù)制到另一塊Survivor區(qū)上

2.清理掉Eden區(qū)和使用的Survivor區(qū)中的所有對(duì)象

3.交換兩塊Survivor的激活狀態(tài)

光看文字描述比較抽象，我們來(lái)看圖像的形式：

1.我們有以下這樣的一塊Java堆，其中灰色的Survivor區(qū)為激活狀態(tài)

2.標(biāo)記所有的GC Roots可達(dá)對(duì)象（藍(lán)色標(biāo)記）

3.將標(biāo)記對(duì)象全部復(fù)制到另一塊Survivor區(qū)域中

4.清理掉Eden區(qū)和激活的Survivor區(qū)中的所有對(duì)象，然后交換兩塊區(qū)域的激活狀態(tài)

以上就是整個(gè)復(fù)制算法的全過(guò)程了，有人可能會(huì)問(wèn)了，為什么Survivor區(qū)這么小，就不怕放不下嗎？其實(shí)平均來(lái)說(shuō)，每次垃圾回收的時(shí)候基本都會(huì)回收98%左右的對(duì)象，也就是說(shuō)，我們完全可以保證大部分情況下剩余的對(duì)象都小于10%，放在一塊Survivor區(qū)中是沒(méi)問(wèn)題的。當(dāng)然，也可能會(huì)發(fā)生Survivor區(qū)不夠用的問(wèn)題，這時(shí)候就需要依賴其他內(nèi)存給我們提供后備了

這種算法較好地解決了內(nèi)存利用率低的問(wèn)題，但是復(fù)制算法的兩個(gè)問(wèn)題依然沒(méi)有解決：

• 對(duì)象復(fù)制采用深度優(yōu)先的遞歸方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，會(huì)消耗棧資源（Cheney改進(jìn)的GC復(fù)制算法解決了該問(wèn)題）
• 復(fù)制算法無(wú)法處理長(zhǎng)壽數(shù)據(jù)，只會(huì)頻繁地將其復(fù)制來(lái)白白消耗資源（重點(diǎn)）

標(biāo)記-整理算法

這種算法可以說(shuō)是專門(mén)針對(duì)對(duì)象存活率高的程序，具體的流程如下：

1.GC發(fā)生時(shí)，將所有被標(biāo)記的存活對(duì)象移動(dòng)到內(nèi)存的一端

2.移動(dòng)完成后，清理掉所有移動(dòng)后的邊界以外的對(duì)象

我相信大家在理解了前面幾個(gè)算法之后，這個(gè)算法也能很方便地理解，我就不畫(huà)圖了，用一個(gè)例子來(lái)解釋：

問(wèn)題：對(duì)于一個(gè)長(zhǎng)度為n的數(shù)組，我們想要保留其中所有小于10的數(shù)字，其余的數(shù)字刪掉
方案：可以遍歷一遍數(shù)據(jù)，將所有小于10的數(shù)字全部放到數(shù)組的最左側(cè)，最終，數(shù)組的0~m（0<=m<=n）位置全部都是小于10的數(shù)字，然后我們只需要?jiǎng)h除m+1~n的所有數(shù)字即可

這種方法的優(yōu)點(diǎn)也顯而易見(jiàn)：

• 實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，執(zhí)行速度快
• 針對(duì)復(fù)制算法處理不佳的長(zhǎng)壽數(shù)據(jù)，標(biāo)記-整理算法可以選擇不去整理這些對(duì)象
• 沒(méi)有空間碎片的問(wèn)題

但是依然還是有缺點(diǎn)的：

• 如果堆內(nèi)存較小，則該算法的速度會(huì)下降
• 遍歷時(shí)需要多次訪問(wèn)類型信息和對(duì)象的指針域，開(kāi)銷很大
• 記錄新的轉(zhuǎn)發(fā)地址需要占用額外的空間，導(dǎo)致吞吐量下降
• 不適合并發(fā)回收器

分代收集算法

別急，我們還沒(méi)說(shuō)完，還有最后一個(gè)分代收集算法，這個(gè)算法將Java堆劃分為兩塊區(qū)域：

• 年輕代：存放朝生夕滅的對(duì)象，即存活率低的對(duì)象，大部分對(duì)象在一次GC后都會(huì)被回收
• 老年代：存放存活率高的對(duì)象

可以看出，分代收集算法按照對(duì)象在GC后的存活率將Java堆分為這樣兩塊區(qū)域，針對(duì)不同區(qū)域采用不同的算法，就能盡可能地做到“揚(yáng)長(zhǎng)補(bǔ)短”，來(lái)提高垃圾回收的效率

• 針對(duì)年輕代朝生夕滅的性質(zhì)，我們采用復(fù)制算法
• 針對(duì)老年代存活率高的性質(zhì)，我們采用標(biāo)記-整理算法

總結(jié)

最后，垃圾回收的幾種常見(jiàn)算法已經(jīng)為大家介紹完畢，接下來(lái)如果有機(jī)會(huì)我會(huì)再介紹一下幾種常見(jiàn)的垃圾回收器

以上就是本文的全部?jī)?nèi)容，希望對(duì)大家的學(xué)習(xí)有所幫助，也希望大家多多支持腳本之家。

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