JVM 中的垃圾回收算法

前言

在《# JVM 运行时堆内存如何分代？》中介绍了堆内存的分代划分以及垃圾回收的分代收集理论，里面介绍了分代是为了以不同的频率、使用不同的回收算法，进行垃圾回收，以达到效率和内存使用率的平衡。

这篇来介绍一下常见的垃圾回收算法。

「标记-清除」算法

简而言之，分为「标记」和「清除」两个阶段。首先，通过扫描标记出所有需要回收的对象，标记完成后，统一回收掉被标记的对象。也可以反过来，标记出存活的对象，然后回收未被标记的对象。

这个算法有两个缺点：

1. 当堆中的对象数量较大，而且大部分都需要被回收时，就需要大量的标记和清除工作，导致这两个过程的执行效率随着对象数量的增长而降低。
2. 每次标记和清除之后，会产生大量不连续的内存碎片，导致后续需要分配内存给较大对象时，难以找到足够的连续内存，这个时候就会提前触发新一轮的垃圾回收。

「标记-复制」算法

将可用的内存按容量划分为大小相等的两块，每次只使用其中一块。当使用中的一块内存用完了，就将其中需要继续存活的对象复制到另一块上，然后将以使用的内存空间全部清理掉。

对于大部分对象都需要回收的情况，这个算法只需要复制少数需要继续存活的对象即可，并且同时也解决了「标记-清除」算法存在的内存空间碎片问题。简单、高效。

它的缺点也显而易见：

1. 可用的内存空间缩小为原来的一半，空间浪费较多。
2. 如果内存中多数对象都是存活的，将产生大量的内存件复制开销。

实际上，「标记-清除」算法是大部分商用 JVM 采用的新生代回收算法。在 JVM 中，新生代的内存空间被分为三个区域：

一个 Eden 区域，两个 Survivors 区域。

当一个新的对象被创建的时候，会在 Eden 区域中划出一块作为存储对象的内存。当 Eden 区域空间耗尽的时候，虚拟机会触发一次 Minor GC，来收集新生代的垃圾对象。存活下来的，会被复制到 Survivor 区域。

Servivor 区域被分成了两块（可以看做「标记-复制」算法划分的两块内存区域），分别用 from 和 to 表示。其中 to 区域是空的。每当发证 Minor GC 的时候，Eden 区域和 from Servivor 区域中存活的对象，会被复制到 to Survivor 区域。然后 from 和 to 互换指针（也就是原来的 from 区域作为新的 to 区域），这样，下次进行 Minor GC 时，to 区域还是空的。

这就是新生代运用「标记-复制」算法完成垃圾回收的过程。在这个过程中，虚拟机会记录 Survivor 区域中对象被来回复制了几次，也就是对象在多少次 Minor GC 之后依然存活（这个次数可以理解为对象的「年龄」），当这个次数达到一定值之后，那么响应的对象会被晋升至老年代。

「标记-整理」算法

主要针对老年代对象的存亡特征。标记阶段与「标记-清除」算法相同，但是在标记完之后，不是将垃圾对象回收，而是让所有存活的对象都像内存空间的一端移动，然后再直接清理边界以外的内存空间。它是一种移动式的回收算法。

对于老年代的垃圾回收，它不像「标记-清除」算法一样会产生内存碎片，但是，对于老年代这种每次回收都有大量对象存活的区域，移动存活对象并更新引用是一个耗时的操作，并且这个过程中需要暂停用户程序。

比较折中的做法是，大多数时候，采用「标记-清除」算法，暂时容忍碎片的存在，当碎片程度影响到大对象的内存分配至，在用「标记-整理」算法收集一次，起到碎片内存整理的作用。

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