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JVM—垃圾回收相关算法

JAVA 西门飞冰 191℃
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1.垃圾回收算法概述

垃圾回收算法主要分为两个阶段,分别是标记阶段和清除阶段

垃圾标记阶段:主要是为了判断对象是否存活

1、在堆里存放着几乎所有的Java对象实例,在GC执行垃圾回收之前,首先需要区分出内存中哪些是存活对象,哪些是已经死亡的对象。只有被标记为己经死亡的对象,GC才会在执行垃圾回收时,释放掉其所占用的内存空间,因此这个过程我们可以称为垃圾标记阶段。

2、那么在JVM中究竟是如何标记一个死亡对象呢?简单来说,当一个对象已经不再被任何的存活对象继续引用时,就可以宣判为已经死亡。

3、判断对象存活一般有两种方式:引用计数算法可达性分析算法

垃圾清除阶段

  • 当成功区分出内存中存活对象和死亡对象后,GC接下来的任务就是执行垃圾回收,释放掉无用对象所占用的内存空间,以便有足够的可用内存空间为新对象分配内存。目前在JVM中比较常见的三种垃圾收集算法是

1、标记-清除算法(Mark-Sweep)

2、复制算法(Copying)

3、标记-压缩算法(Mark-Compact)

2.标记阶段—应用记数算法

1、引用计数算法(Reference Counting)比较简单,对每个对象保存一个整型的引用计数器属性。用于记录对象被引用的情况。

2、对于一个对象A,只要有任何一个对象引用了A,则A的引用计数器就加1;当引用失效时,引用计数器就减1。只要对象A的引用计数器的值为0,即表示对象A不可能再被使用,可进行回收。

3、优点:实现简单,垃圾对象便于辨识;判定效率高,回收没有延迟性。

4、缺点:

  • 它需要单独的字段存储计数器,这样的做法增加了存储空间的开销
  • 每次赋值都需要更新计数器,伴随着加法和减法操作,这增加了时间开销
  • 引用计数器有一个严重的问题,即无法处理循环引用的情况。这是一条致命缺陷,导致在Java的垃圾回收器中没有使用这类算法。

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3.标记阶段—可达性分析算法

可达性分析算法:也可以称为根搜索算法、追踪性垃圾收集

1、相对于引用计数算法而言,可达性分析算法不仅同样具备实现简单和执行高效等特点,更重要的是该算法可以有效地解决在引用计数算法中循环引用的问题,防止内存泄漏的发生

2、相较于引用计数算法,这里的可达性分析就是Java、C#选择的。

3.1.可达性分析实现思路

  • 所谓”GCRoots”根集合就是一组必须活跃的引用
  • 其基本思路如下:

1、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

2、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)

3、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。

4、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。

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3.2.GC Roots可以是哪些元素?

1、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。

2、本地方法栈内JNI(通常说的本地方法)引用的对象

3、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

4、方法区中常量引用的对象

  • 比如:字符串常量池(StringTable)里的引用

5、所有被同步锁synchronized持有的对象

6、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。

7、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。

4.清除阶段—标记清除算法

标记-清除算法(Mark-Sweep)是一种非常基础和常见的垃圾收集算法,该算法被J.McCarthy等人在1960年提出并并应用于Lisp语言。

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

1、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。

  • 注意:标记的是被引用的对象,也就是可达对象,并非标记的是即将被清除的垃圾对象

2、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

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标记-清除算法的缺点

1、标记清除算法的效率不算高

2、在进行GC的时候,需要停止整个应用程序,用户体验较差

3、这种方式清理出来的空闲内存是不连续的,产生内碎片,需要维护一个空闲列表

4、这个算法已经不在使用

5.清除阶段—复制算法

背景

1、为了解决标记-清除算法在垃圾收集效率方面的缺陷,M.L.Minsky于1963年发表了著名的论文,“使用双存储区的Lisp语言垃圾收集器CA LISP Garbage Collector Algorithm Using Serial Secondary Storage)”。M.L.Minsky在该论文中描述的算法被人们称为复制(Copying)算法,它也被M.L.Minsky本人成功地引入到了Lisp语言的一个实现版本中。

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

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新生代里面就用到了复制算法,Eden区和S0区存活对象整体复制到S1区

复制算法的优缺点

优点

1、没有标记和清除过程,实现简单,运行高效

2、复制过去以后保证空间的连续性,不会出现“碎片”问题。

缺点

1、此算法的缺点也是很明显的,就是需要两倍的内存空间。

2、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

复制算法的应用场景

1、如果系统中的垃圾对象很多,复制算法需要复制的存活对象数量并不会太大,效率较高

2、老年代大量的对象存活,那么复制的对象将会有很多,效率会很低

3、在新生代,对常规应用的垃圾回收,一次通常可以回收70% – 99% 的内存空间。回收性价比很高。所以现在的商业虚拟机都是用这种收集算法回收新生代。

6.清除阶段—标记压缩算法

背景

1、复制算法的高效性是建立在存活对象少、垃圾对象多的前提下的。这种情况在新生代经常发生,但是在老年代,更常见的情况是大部分对象都是存活对象。如果依然使用复制算法,由于存活对象较多,复制的成本也将很高。因此,基于老年代垃圾回收的特性,需要使用其他的算法。

2、标记-清除算法的确可以应用在老年代中,但是该算法不仅执行效率低下,而且在执行完内存回收后还会产生内存碎片,所以JVM的设计者需要在此基础之上进行改进。标记-压缩(Mark-Compact)算法由此诞生。

3、1970年前后,G.L.Steele、C.J.Chene和D.s.Wise等研究者发布标记-压缩算法。在许多现代的垃圾收集器中,人们都使用了标记-压缩算法或其改进版本。

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。之后,清理边界外所有的空间。

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标记-压缩算法与标记-清除算法的比较

1、标记-压缩算法的最终效果等同于标记-清除算法执行完成后,再进行一次内存碎片整理,因此,也可以把它称为标记-清除-压缩(Mark-Sweep-Compact)算法。

2、二者的本质差异在于标记-清除算法是一种非移动式的回收算法,标记-压缩是移动式的。是否移动回收后的存活对象是一项优缺点并存的风险决策。

3、可以看到,标记的存活对象将会被整理,按照内存地址依次排列,而未被标记的内存会被清理掉。如此一来,当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,这比维护一个空闲列表显然少了许多开销。

标记-压缩算法的优缺点

优点

1、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。

2、消除了复制算法当中,内存减半的高额代价。

缺点

1、从效率上来说,标记-整理算法要低于复制算法。

2、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(因为HotSpot虚拟机采用的不是句柄池的方式,而是直接指针)

3、移动过程中,需要全程暂停用户应用程序。即:STW

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