原創：碼農參上（微信公眾號ID：CODER_SANJYOU），歡迎分享，轉載請保留出處。

提到Java中的垃圾回收，我相信很多小夥伴和我一樣，第一反應就是面試必問了，你要是沒背過點GC演算法、收集器什麼的知識，出門都不敢說自己背過八股文。說起來還真是有點尷尬，工作中實際用到這方面知識的場景真是不多，並且這東西學起來也很枯燥，但是奈何面試官就是愛問，我們能有什麼辦法呢？

既然已經卷成了這樣，不學也沒有辦法，Hydra犧牲了週末時間，給大家畫了幾張動圖，希望通過這幾張圖，能夠幫助大家對垃圾收集演算法有個更好的理解。廢話不多說，首先還是從基礎問題開始，看看怎麼判斷一個物件是否應該被回收。

判斷物件存活

垃圾回收的根本目的是利用一些演算法進行記憶體的管理，從而有效的利用記憶體空間，在進行垃圾回收前，需要判斷物件的存活情況，在jvm中有兩種判斷物件的存活演算法，下面分別進行介紹。

1、引用計數演算法

在物件中新增一個引用計數器，每當有一個地方引用它時計數器就加 1，當引用失效時計數器減 1。當計數器為0的時候，表示當前物件可以被回收。

這種方法的原理很簡單，判斷起來也很高效，但是存在兩個問題：

  • 堆中物件每一次被引用和引用清除時，都需要進行計數器的加減法操作，會帶來效能損耗
  • 當兩個物件相互引用時，計數器永遠不會0。也就是說，即使這兩個物件不再被程式使用，仍然沒有辦法被回收，通過下面的例子看一下迴圈引用時的計數問題：
public void reference(){

  A a = new A();

  B b = new B();

  a.instance = b;

  b.instance = a;

}

引用計數的變化過程如下圖所示：

可以看到，在方法執行完成後，棧中的引用被釋放，但是留下了兩個物件在堆記憶體中迴圈引用，導致了兩個例項最後的引用計數都不為0，最終這兩個物件的記憶體將一直得不到釋放，也正是因為這一缺陷，使引用計數演算法並沒有被實際應用在gc過程中。

2、可達性分析演算法

可達性分析演算法是jvm預設使用的尋找垃圾的演算法，需要注意的是，雖然說的是尋找垃圾，但實際上可達性分析演算法尋找的是仍然存活的物件。至於這樣設計的理由，是因為如果直接尋找沒有被引用的垃圾物件，實現起來相對複雜、耗時也會比較長，反過來標記存活的物件會更加省時。

可達性分析演算法的基本思路就是，以一系列被稱為GC Roots的物件作為起始點，從這些節點開始向下搜尋，搜尋所走過的路徑稱為引用鏈，當一個物件到GC Roots沒有任何引用鏈相連時，證明該物件不再存活，可以作為垃圾被回收。

在java中，可作為GC Roots的物件有以下幾種：

  • 在虛擬機器棧（棧幀的本地變量表）中引用的物件
  • 在方法區中靜態屬性引用的物件
  • 在方法區中常量引用的物件
  • 在本地方法棧中JNI（native方法）引用的物件
  • jvm內部的引用，如基本資料型別對應的Class物件、一些常駐異常物件等，及系統類載入器
  • 被同步鎖synchronized持有的物件引用
  • 反映jvm內部情況的 JMXBean、JVMTI 中註冊的回撥原生代碼快取等
  • 此外還有一些臨時性的GC Roots，這是因為垃圾收集大多采用分代收集和區域性回收，考慮到跨代或跨區域引用的物件時，就需要將這部分關聯的物件也新增到GC Roots中以確保準確性

其中比較重要、同時提到的比較多的還是前面4種，其他的簡單瞭解一下即可。在瞭解了jvm是如何尋找垃圾物件之後，我們來看一看不同的垃圾收集演算法的執行過程是怎樣的。

垃圾收集演算法

1、標記-清除演算法

標記清除演算法是一種非常基礎的垃圾收集演算法，當堆中的有效記憶體空間耗盡時，會觸發STW（stop the world），然後分標記和清除兩階段來進行垃圾收集工作：

  • 標記：從GC Roots的節點開始進行掃描，對所有存活的物件進行標記，將其記錄為可達物件
  • 清除：對整個堆記憶體空間進行掃描，如果發現某個物件未被標記為可達物件，那麼將其回收

通過下面的圖，簡單的看一下兩階段的執行過程：

但是這種演算法會帶來幾個問題：

  • 在進行GC時會產生STW，停止整個應用程式，造成使用者體驗較差
  • 標記和清除兩個階段的效率都比較低，標記階段需要從根集合進行掃描，清除階段需要對堆內所有的物件進行遍歷
  • 僅對非存活的物件進行處理，清除之後會產生大量不連續的記憶體碎片。導致之後程式在執行時需要分配較大的物件時，無法找到足夠的連續記憶體，會再觸發一次新的垃圾收集動作

此外，jvm並不是真正的把垃圾物件進行了遍歷，把內部的資料都刪除了，而是把垃圾物件的首地址和尾地址進行了儲存，等到再次分配記憶體時，直接去地址列表中分配，通過這一措施提高了一些標記清除演算法的效率。

2、複製演算法

複製演算法主要被應用於新生代，它將記憶體分為大小相同的兩塊，每次只使用其中的一塊。在任意時間點，所有動態分配的物件都只能分配在其中一個記憶體空間，而另外一個記憶體空間則是空閒的。複製演算法可以分為兩步：

  • 當其中一塊記憶體的有效記憶體空間耗盡後，jvm會停止應用程式執行，開啟複製演算法的gc執行緒，將還存活的物件複製到另一塊空閒的記憶體空間。複製後的物件會嚴格按照記憶體地址依次排列，同時gc執行緒會更新存活物件的記憶體引用地址，指向新的記憶體地址
  • 在複製完成後，再把使用過的空間一次性清理掉，這樣就完成了使用的記憶體空間和空閒記憶體空間的對調，使每次的記憶體回收都是對記憶體空間的一半進行回收

通過下面的圖來看一下複製演算法的執行過程：

複製演算法的的優點是彌補了標記清除演算法中，會出現記憶體碎片的缺點，但是它也同樣存在一些問題：

  • 只使用了一半的記憶體，所以記憶體的利用率較低，造成了浪費
  • 如果物件的存活率很高，那麼需要將很多物件複製一遍，並且更新它們的應用地址，這一過程花費的時間會非常的長

從上面的缺點可以看出，如果需要使用複製演算法，那麼有一個前提就是要求物件的存活率要比較低才可以，因此，複製演算法更多的被用於物件“朝生暮死”發生更多的新生代中。

3、標記-整理演算法

標記整理演算法和標記清除演算法非常的類似，主要被應用於老年代中。可分為以下兩步：

  • 標記：和標記清除演算法一樣，先進行物件的標記，通過GC Roots節點掃描存活物件進行標記
  • 整理：將所有存活物件往一端空閒空間移動，按照記憶體地址依次排序，並更新對應引用的指標，然後清理末端記憶體地址以外的全部記憶體空間

標記整理演算法的執行過程如下圖所示：

可以看到，標記整理演算法對前面的兩種演算法進行了改進，一定程度上彌補了它們的缺點：

  • 相對於標記清除演算法，彌補了出現記憶體空間碎片的缺點
  • 相對於複製演算法，彌補了浪費一半記憶體空間的缺點

但是同樣，標記整理演算法也有它的缺點，一方面它要標記所有存活物件，另一方面還添加了物件的移動操作以及更新引用地址的操作，因此標記整理演算法具有更高的使用成本。

4、分代收集演算法

實際上，java中的垃圾回收器並不是只使用的一種垃圾收集演算法，當前大多采用的都是分代收集演算法。jvm一般根據物件存活週期的不同，將記憶體分為幾塊，一般是把堆記憶體分為新生代和老年代，再根據各個年代的特點選擇最佳的垃圾收集演算法。主要思想如下：

  • 新生代中，每次收集都會有大量物件死去，所以可以選擇複製演算法，只需要複製少量物件以及更改引用，就可以完成垃圾收集
  • 老年代中，物件存活率比較高，使用複製演算法不能很好的提高效能和效率。另外，沒有額外的空間對它進行分配擔保，因此選擇標記清除或標記整理演算法進行垃圾收集

通過圖來簡單看一下各種演算法的主要應用區域：

至於為什麼在某一區域選擇某種演算法，還是和三種演算法的特點息息相關的，再從3個維度進行一下對比：

  • 執行效率：從演算法的時間複雜度來看，複製演算法最優，標記清除次之，標記整理最低
  • 記憶體利用率：標記整理演算法和標記清除演算法較高，複製演算法最差
  • 記憶體整齊程度：複製演算法和標記整理演算法較整齊，標記清除演算法最差

儘管具有很多差異，但是除了都需要進行標記外，還有一個相同點，就是在gc執行緒開始工作時，都需要STW暫停所有工作執行緒。

總結

本文中，我們先介紹了垃圾收集的基本問題，什麼樣的物件可以作為垃圾被回收？jvm中通過可達性分析演算法解決了這一關鍵問題，並在它的基礎上衍生出了多種常用的垃圾收集演算法，不同演算法具有各自的優缺點，根據其特點被應用於各個年代。

雖然這篇文章嘮嘮叨叨了這麼多，不過這些都還是基礎的知識，如果想要徹底的掌握jvm中的垃圾收集，後續還有垃圾收集器、記憶體分配等很多的知識需要理解，不過我們今天就介紹到這裡啦，希望通過這一篇圖解，能夠幫助大家更好的理解垃圾收集演算法。

最後，提前祝大家國慶小長假愉快，我們下篇見~

作者簡介，碼農參上（CODER_SANJYOU），一個熱愛分享的公眾號，有趣、深入、直接，與你聊聊技術。個人微信DrHydra9，歡迎新增好友，進一步交流。