JVM|04 垃圾回收

什么是垃圾回收机制

背景知识

程序的运行必然需要申请内存资源，无效的对象资源如果不及时处理就会一直占有内存资源，最终将导致内存溢出，所以对内存资源的管理是非常重要了。

Java 语言的垃圾回收

为了让程序员更专注于代码的实现，而不用过多的考虑内存释放的问题，所以，在 Java 语言中，有了自动的垃圾回收机制，也就是我们熟悉的 GC。
有了垃圾回收机制后，程序员只需要关心内存的申请即可，内存的释放由系统自动识别完成。
换句话说，自动的垃圾回收的算法就会变得非常重要了，如果因为算法的不合理，导致内存资源一直没有释放，同样也可能会导致内存溢出的。
当然，除了 Java 语言，C#、Python 等语言也都有自动的垃圾回收机制。

Java 的垃圾回收常用算法

引用计数法

原理

假设有一个对象 A，任何一个对象对 A 的引用，那么对象 A 的引用计数器 +1，当引用失败时，对象 A 的引用计数器就-1，如果对象 A 的计数器的值为 0，就说明对象 A 没有引用了，可以被回收。

优劣分析

1. 优势
   实时性较高，无需等到内存不够的时候，才开始回收，运行时根据对象的计数器是否为 0，就可以直接回收。
   在垃圾回收过程中，应用无需挂起。如果申请内存时，内存不足，则立刻报
   outofmember 错误。
   区域性，更新对象的计数器时，只是影响到该对象，不会扫描全部对象。
2. 劣势
   每次对象被引用时，都需要去更新计数器，有一点时间开销。
   浪费 CPU 资源，即使内存够用，仍然在运行时进行计数器的统计。
   无法解决循环引用问题。（最大的缺点）
   循环问题演示：

class TestA {
    public TestB b ;
}
class TestB{
    public TestA a;
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        TestA a = new TestA();
        TestB b = new TestB();
        a.b = b;
        b.a = a;
        a = null;
        b = null;
//     虽然被设置为null，但是a与b之间依旧存在着循环引用的问题
    }
}

标记-清除算法

原理

标记清除算法，是将垃圾回收分为 2 个阶段，分别是标记和清除。
标记：从根节点开始标记引用的对象。
清除：未被标记引用的对象就是垃圾对象，可以被清理。

初始状态下，所有的目标对象都是为 0（未被标记）
待 jvm 出现有效内存耗尽，就会挂起线程，执行 GC 线程，进行标记

从根节点进行标记到最后，然后回收未被标记的对象。
清理完毕之后挂起 gc 线程，重新执行原先被挂起的线程。
而被标记的对象会被重新置 0；

优劣分析

1. 优势
   很明显的解决了循环应用导致的不能被回收的问题
2. 缺点
   缺点也很明显
   效率较低，标记和清除两个动作都需要遍历所有的对象，并且在 GC 时，需要停止应用程序，对于交互性要求比较高的应用而言这个体验是非常差的。
   通过标记清除算法清理出来的内存，碎片化较为严重，因为被回收的对象可能存在于内存的各个角落，所以清理出来的内存是不连贯的

标记-压缩算法

原理

标记压缩算法是在标记清除算法的基础之上，做了优化改进的算法。和标记清除算法一样，也是从根节点开始，对对象的引用进行标记，在清理阶段，并不是简单的清理未标记的对象，而是将存活的对象压缩到内存的一端，然后清理边界以外的垃圾，从而解决了碎片化的问题。

优劣分析

1. 优点
   在标记清除算法的基础上解决了产生碎片的问题
2. 缺点
   算法多出一步压缩，所以在性能上也会有所影响

复制算法

原理

复制算法的核心就是：将原有的内存空间一分为二，每次只用其中的一块，在垃圾回收时，将正在使用的对象复制到另一个内存空间中，然后将该内存空间清空，交换两个内存的角色，完成垃圾的回收。
典型的复制算法的落地实现就是：jvm 中堆内存的年轻代的 gc 策略（具体可以看我 jvm 系列的博客的内存模型的那一部分内容）

1. 在 GC 开始的时候，对象只会存在于 Eden 区和名为“From”的 Survivor 区，Survivor 区“To”是空的。
2. 紧接着进行 GC，Eden 区中所有存活的对象都会被复制到“To”，而在“From”区中仍存活的对象会根据他们的年龄值来决定去向。年龄达到一定值(年龄阈值，可以通过- XX:MaxTenuringThreshold 来设置)的对象会被移动到年老代中，没有达到阈值的对象会被复制到“To”区域。
3. 经过这次 GC 后，Eden 区和 From 区已经被清空。这个时候，“From”和“To”会交他们的角色，也就是新的“To”就是上次 GC 前的“From”，新的“From”就是上次 GC 前的“To”。不管怎样，都会保证名为 To 的 Survivor 区域是空的。
4. GC 会一直重复这样的过程，直到“To”区被填满，“To”区被填满之后，会将所有象移动到年老代中。

优劣分析

1. 优势
   在垃圾对象多的情况下，效率较高
   清理后，内存无碎片
2. 劣势
   在垃圾对象少的情况下，不适用，如：老年代内存
   分配的 2 块内存空间，在同一个时刻，只能使用一半，内存使用率仅有 50%

分代算法

前面介绍了多种回收算法，每一种算法都有自己的优点也有缺点，谁都不能替代谁，所以根据垃圾回收对象的特点进行选择，才是明智的选择。
分代算法其实就是这样的，根据回收对象的特点进行选择，在 jvm 中，年轻代适合使用复制算法，老年代适合使用标记清除或标记压缩算法。

END
2019 年 8 月 17 日 12:23:50