内存回收算法

本文基于《深入理解 Java 虚拟机第二版》

在 Java 运行数据区时我们了解了 Java 运行时数据的各个区域，其中程序计数器、Java 虚拟机栈和本地方法栈的生命周期与线程相关，在线程创建时分配，在线程结束时释放，故该部分内存不需要进行专门的内存回收。而方法区和 Java 堆内存的分配和回收是动态的，内存回收主要关注这部分内存。在 Java 虚拟机规范中，并没有对虚拟机应当如何进行垃圾回收进行规定，不同的虚拟机的实现方式也不同，下面主要是对相关的算法进行介绍。

对象存活判定

在 GC 收集器回收内存之前，首先要判定哪些对象不再存活(不存在该对象的引用)，存在以下两种算法可以进行对象存活的判断。

引用计数算法

最基本的算法是给每个对象添加一个引用的计数器，当增加一个该对象的引用时，对计数器加一，反之则减一。在进行回收时，计数器的值为零，则表明该对象不再被使用，可以进行回收。该方法既简单，又有效率，是一个非常实用的方法。然而，它存在一个严重的问题，即它无法解决对象之间的相互引用。

public class ReferenceCounter {
    private ReferenceCounter reference;

    public static void main(String[] args) {
        ReferenceCounter r1 = new ReferenceCounter();
        ReferenceCounter r2 = new ReferenceCounter();
        r1.reference = r2;
        r2.reference = r1;
    }
}

针对以上代码，使用引用计数的方法时，r1 和 r2 都存在对方的引用，造成计数器不为零而无法回收。然而实际上，上述对象是应当被回收的。

可达性分析算法

该算法的主要思想是以一系列的‘GC Roots’对象为起点，不断向下搜索，搜索的路径形成引用链。当一个对象没有任何引用链引用时，表明该对象不再被使用，可以进行垃圾回收。

可以作为"GC Roots"的对象如下：

• 虚拟机栈中引用的对象
• 方法区类静态属性引用的对象
• 方法区中常量引用的对象
• 本地方法栈中本地方法引用的对象

在 Java 虚拟机的主流实现中，都采用了该算法进行对象是否存活的判定。

垃圾收集算法

垃圾收集的方式有很多，各个平台虚拟机的实现方式也不仅相同，下面介绍几种算法以便了解。

标记-清除算法

该算法分为"标记"和"清除"两个阶段，第一阶段采用上面介绍的相关算法标记出需要进行回收的对象，然后第二阶段将标记的对象进行回收。

该算法简单易懂，然而却存在以下问题：

• 标记和清除的过程效率不高
• 清除对象后，会造成内存产生大量的内存碎片，导致分配大对象时没有足够的连续内存而提前触发垃圾收集

复制算法

为了解决效率的问题，出现一种"复制"的算法。该算法将内存分为大小相同的两块，每次使用其中的一块。当其中一块使用完时，将存活的对象复制到另外一块的一端，本块内存可以全部清理。这种算法避免了内存碎片的产生，内存分配只需要顺序分配即可。缺点就是只能使用总内存的一半，代价太高。

标记-整理算法

为了避免标记-清除算法产生大量的内存碎片，该方法应运而生。该方法第一阶段也是对不再使用的对象进行标记，第二阶段却不再直接进行垃圾收集，而是将所有存活的对象移向内存的一端，然后将剩余的内存全部清除。这样就避免的不连续内存的产生，缺点就是需要进行大量的对象移动。

分代收集算法

该算法主要针对 Java 堆内存，将堆分为新生代和老年代。新生代中每次垃圾回收都会有大量的对象被回收，而老年代中对象的存活率比较高。

老年代中的对象一般不会发生频繁的回收，所有可以使用标记-清除算法或者标记-整理算法进行垃圾回收，而新生代对象变动比较频繁，可以使用复制算法进行垃圾回收。

在 HotSpot 虚拟机的实现中，对新生代的复制算法进行了优化。由于新生代中大量的对象存活时间短，所以不需要将内存进行 1:1 划分来保证有足够的内存可以进行复制，而是将内存分为一块较大的区域 Eden 和两块较小的区域 Survivor，默认比例是 8:1:1。每次只使用 Eden 和一块 Survivor 空间，所以可用空间是新生代总空间的 90%。在进行垃圾回收时，将存活的对象复制到另外一块 Survivor 空间，然后将使用过的 Eden 和 Survivor 空间进行清除。如果存活的对象较多导致 Survivor 空间无法容纳，那么这些对象直接进入老年代。

内存分配

在多数情况下，对象在新生代的 Eden 空间进行分配，当 Eden 空间无法提供足够的内存时，虚拟机将发起一次 Minor GC(新生代垃圾回收，与之对应的 Full/Major GC，表示发生在老年代的垃圾回收，通常这种回收速度慢，伴随至少一次的 Minor GC)。

虚拟机给每个对象定义了一个对象年龄计数器，如果对象在 Eden 空间创建，在每经过一次 Minor GC 而没有被回收时，该计数器加一。当该计数器达到一定的值(默认 15)，就会晋升到老年代。为了更好的使用内存，如果 Survivor 空间中相同年龄的对象总和大于 Survivor 空间的一半，那么年龄大于等于该年龄的对象直接进入老年代。

当要创建需要连续内存空间的大对象时，如长字符串和大数组，为了避免 Eden 和 Survivor 空间之间发生大量的内存复制，大对象可以之间分配到老年代。大对象所需内存可以通过参数 -XX:PretenureSizeThreshold 设置。