Java垃圾收集算法

本文引自《深入理解Java虛擬機》的3.3節。

        標記 -清除算法

        最基礎的收集算法是“標記-清除”（Mark-Sweep）算法，如它的名字一樣，算法分為“標記”和“清除”兩個階段：首先標記出所有需要回收的對象，在標記完成后統一回收掉所有被標記的對象，它的標記過程其實在前一節講述對象標記判定時已經基本介紹過了。之所以說它是最基礎的收集算法，是因為后續的收集算法都是基于這種思路并對其缺點進行改進而得到的。它的主要缺點有兩個：一個是效率問題，標記和清除過程的效率都不高；另外一個是空間問題，標記清除之后會產生大量不連續的內存碎片，空間碎片太多可能會導致，當程序在以后的運行過程中需要分配較大對象時無法找到足夠的連續內存而不得不提前觸發另一次垃圾收集動作。標記-清除算法的執行過程如圖3-2所示。

        復制算法

        為了解決效率問題，一種稱為“復制”（Copying）的收集算法出現了，它將可用內存按容量劃分為大小相等的兩塊，每次只使用其中的一塊。當這一塊的內存用完了，就將還存活著的對象復制到另外一塊上面，然后再把已使用過的內存空間一次清理掉。這樣使得每次都是對其中的一塊進行內存回收，內存分配時也就不用考慮內存碎片等復雜情況，只要移動堆頂指針，按順序分配內存即可，實現簡單，運行高效。只是這種算法的代價是將內存縮小為原來的一半，未免太高了一點。復制算法的執行過程如圖3-3所示。

        現在的商業虛擬機都采用這種收集算法來回收新生代，IBM的專門研究表明，新生代中的對象98%是朝生夕死的，所以并不需要按照1∶1的比例來劃分內 存空間，而是將內存分為一塊較大的Eden空間和兩塊較小的Survivor空間，每次使用Eden和其中的一塊Survivor。當回收時，將Eden 和Survivor中還存活著的對象一次性地拷貝到另外一塊Survivor空間上，最后清理掉Eden和剛才用過的Survivor的空間。 HotSpot虛擬機默認Eden和Survivor的大小比例是8∶1，也就是每次新生代中可用內存空間為整個新生代容量的90%（80%+10%）， 只有10%的內存是會被“浪費”的。當然，98%的對象可回收只是一般場景下的數據，我們沒有辦法保證每次回收都只有不多于10%的對象存活，當 Survivor空間不夠用時，需要依賴其他內存（這里指老年代）進行分配擔保（Handle Promotion）。

         內存的分配擔保就好比我們去銀行借款，如果我們信譽很好，在98%的情況下都能按時償還，于是銀行可能會默認我們下一次也能按時按量地償還貸款，只需要有 一個擔保人能保證如果我不能還款時，可以從他的賬戶扣錢，那銀行就認為沒有風險了。內存的分配擔保也一樣，如果另外一塊Survivor空間沒有足夠的空 間存放上一次新生代收集下來的存活對象，這些對象將直接通過分配擔保機制進入老年代。關于對新生代進行分配擔保的內容，本章稍后在講解垃圾收集器執行規則 時還會再詳細講解。

        標記-整理算法

        復制收集算法在對象存活率較高時就要執行較多的復制操作，效率將會變低。更關鍵的是，如果不想浪費50%的空間，就需要有額外的空間進行分配擔保，以應對被使用的內存中所有對象都100%存活的極端情況，所以在老年代一般不能直接選用這種算法。

         根據老年代的特點，有人提出了另外一種“標記-整理”（Mark-Compact）算法，標記過程仍然與“標記-清除”算法一樣，但后續步驟不是直接對可 回收對象進行清理，而是讓所有存活的對象都向一端移動，然后直接清理掉端邊界以外的內存，“標記-整理”算法的示意圖如圖3-4所示。 3.3.4

        分代收集算法

        當前商業虛擬機的垃圾收集都采用“分代收集”（Generational Collection）算法，這種算法并沒有什么新的思想，只是根據對象的存活周期的不同將內存劃分為幾塊。一般是把Java堆分為新生代和老年代，這樣 就可以根據各個年代的特點采用最適當的收集算法。在新生代中，每次垃圾收集時都發現有大批對象死去，只有少量存活，那就選用復制算法，只需要付出少量存活對象的復制成本就可以完成收集。而老年代中因為對象存活率高、沒有額外空間對它進行分配擔保，就必須使用“標記-清理”或“標記-整理”算法來進行回收。