JVM之GC演算法

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1. 前言

　　1.1 概念：清理記憶體中不會再被使用的對象

　　1.2 背景：如果記憶體中的垃圾不被清理，會導致記憶體溢出

　　1.3 常用的記憶體回收演算法：引用計數法（Reference Counting）、標記清除法（Mark-Sweep）、複製演算法（Copying）、標記壓縮法(Mark-Compact)、分代演算法（Generational Collecting）及分區演算法（Region）

 

2. 演算法演化

　　2.1 引用計數法【Java記憶體回收未採用】

　　　　2.1.1 思想：對於對象A，如果被引用，A的引用計數器就+1；當引用失效時，A的引用計數器-1.當對象A的引用計數器的值為0，則對象A被回收。

　　　　2.1.2 缺陷：

　　　　　　2.1.2.1  無法處理循環參考的情況。【例如：對象A和對象B相互引用，卻沒有被其他對象引用。此時，A和B應該被回收。然而，對象A和B的引用計數器卻不為0，無法被回收。】 

　　　　　　2.1.2.2 每次對象被引用/釋放引用的時候，都會伴隨著運算操作，對系統效能會有一定的影響。

 

因為循環參考的對象無法被回收，為瞭解決該缺陷，於是產生了可達對象的概念。根據可達對象的概念，產生了標記清除法。

 

　　2.2 標記清除法【現代記憶體回收演算法的基礎】

　　　　2.2.1 基礎：

　　　　　　2.2.1.1 可達對象：通過根對象進行引用搜尋，最終可以達到的對象。

　　　　　　2.2.1.2 不可達對象：通過根對象進行引用搜尋，最終沒有被引用到的對象。

 　　　　2.2.2 思想：通過標記、清除兩個階段實現記憶體回收

　　　　　　2.2.2.1 標記階段：根據根節點，標記所有的可達對象

　　　　　　2.2.2.2 清除階段：清除所有的不可達對象

　　　　2.2.3 缺陷：

　　　　　　2.2.3.1 產生大量的空間片段，工作效率低

　　　　　　標記清除法是對一塊連續的空間進行回收，回收後的空間是不連續的【】。在對象的堆空間分配過程中，尤其是大對象的記憶體配置，不連續記憶體空間的工作做效率要低於連續空間。

 

 

因為不連續記憶體空間的工作效率低，為瞭解決這個問題，於是想到：新開闢一個工作空間，將可達對象複製到新的記憶體空間，保證空間使用的連續性。

　　

　　2.3 複製演算法【新生代演算法】

　　　　2.3.1 思想：將原有的記憶體空間分為兩塊，每次使用其中一塊。記憶體回收時，將正在使用的記憶體中的可達對象複製到未使用的記憶體塊中，清除正在使用的記憶體塊中的所有對象，交換兩個記憶體的角色，完成回收。

 

　　2.3.2 缺陷：

　　　　2.3.2.1 將系統記憶體折半，佔用的系統記憶體太大。

 

複製演算法的高效性是建立在存活對象少，垃圾對象對象多的前提下。對於存活對象多的情況，複製成本高，需要其它演算法來替代。

 

　　2.4 標記壓縮法【老年代演算法】

　　　　2.4.1 原理：標記清除演算法執行完成後，再進行一次記憶體磁碟重組。

　　　　2.4.2 思想：從根節點出發，將所有的可達對象進行標記，然後將標記對象壓縮到記憶體的一端。最後，清除邊界之外的所有空間。

 

 

在上述演算法中，它們都有各自獨特的優勢，並沒有一種演算法可以完全替代其它演算法。因此，正確的方式是：根據記憶體回收對象的特性，使用合適的演算法回收。基於這種情況，產生了分代的思想。

　　2.5 分代演算法

　　　　2.5.1 思想：根據對象的特點，將記憶體地區分成幾塊；根據每塊記憶體地區的特點，使用不同的回收演算法。               

　　　　2.5.2 應用：新生代使用複製演算法，老年代使用標記壓縮法。

 

既然可以根據對象的生命週期（時間角度）進行回收，那麼根據對象的空間分布（空間角度）也可以進行回收。

　　

　　2.6 分區演算法

　　　　2.6.1 背景：在相同條件下，堆空間越大，一次GC所用的時間越長，從而產生的停頓也越長。

　　　　2.6.2 思想：將堆空間劃分成連續的小地區，每個小地區獨立使用、獨立回收。

 

3. 補充

　　3.1 新生代串列記憶體回收行程中，使用複製演算法的思想。

　　　　3.1.1 基礎：新生代分為eden區、from區、to區。其中，from區和to區也被稱為survivor區，可以視為用於複製的大小相等、地位相等、且可以角色互換的兩個空間塊。

　　　　3.1.2 思路：記憶體回收時，Eden區和正在使用的survivor區（假設是from區）中的可達對象會被複製到未被使用的survivor區（to區），然後清空Eden區和from區。

　　　　3.1.3 備忘：from區中的大對象或者老年對象會直接進入老年區；如果to區空間不足，對象也會進入老年區

　　3.2 複製演算法的高效性是建立在可達對象少，不可達對象多的前提下，因此複製演算法只用於新生代【新生代，垃圾對象通常會多於存活對象；老年代大部分對象都是存活對象】。老年代採用標記壓縮法

　　3.3 新生代GC與老年代GC對比：

 

 

4. 附錄

　　4.1 參考文獻：《實戰Java虛擬機器 – JVM故障診斷與效能最佳化》 葛一鳴著

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