深入理解JVM垃圾回收算法

深入理解JVM垃圾回收算法：完整攻略

Java虚拟机（JVM）是Java平台的核心组件，负责在不同硬件和操作系统之间提供一致的Java运行环境。JVM垃圾回收算法是JVM的最重要的组成部分之一，它负责管理Java应用程序运行时产生的内存，确保程序运行期间的内存分配和回收的顺利进行。

理解垃圾回收算法的基本原理

垃圾回收算法的基本原理是通过扫描Java应用程序的内存，找出不再使用的对象，并将其清除从而回收内存。JVM提供了多种不同的垃圾回收算法，这些算法的共同目标是确保内存使用的最大化，同时避免内存泄漏和频繁的GC。

垃圾回收算法的分类

JVM垃圾回收算法根据实现方式可以分为以下几类：

1. 标记-清除算法（Mark-Sweep）
2. 复制算法（Copying）
3. 标记-整理算法（Mark-Compact）
4. 分代收集算法（Generational）

不同垃圾回收算法的实现方式和优缺点并不相同，在实际应用中需要根据程序的特点和实际需求选择合适的算法。

垃圾回收算法的流程

垃圾回收算法的流程通常包括以下几个阶段：

1. 标记（Marking）：扫描Java应用程序内存，标记所有正在使用的内存块和对象
2. 垃圾回收（Garbage Collection）：扫描并清除未被标记的内存块和对象
3. 压缩（Compaction）：将内存中的使用的块压缩到一起，以便更好地利用内存

以上过程会重复执行，直到内存使用达到一定的限制，或者垃圾回收耗时太长。

常见的垃圾回收算法

标记-清除算法（Mark-Sweep）

标记和清除算法最初是用于垃圾回收的。它通过将对象标记为在堆和栈上使用，通过清除所有“未标记”的对象来回收未被使用的空间。

这种算法虽然简单，但有以下明显的缺点：

• 效率低下：在此算法中，内存将通过清除未标记的对象来回收，这意味着每次垃圾回收都必须遍历整个内存堆来查找未被标记的对象，这显然会消耗大量的资源，导致垃圾回收成为应用程序的性能瓶颈。
• 空间耗用：在此算法中，分配的内存块不是按顺序排列的，而是随机分布的，这可能会导致碎片问题。当所有的碎片加起来达到一定的大小时，该算法存在无法继续分配空间的可能。

复制算法（Copying）

复制算法是一种简单的垃圾回收算法，它将内存分成两个大小相等的区域 - 一半活动内存区域和一半空闲内存区域。当内存区域中的活动对象达到一定的量时，算法将存活的对象从一半的区域复制到其中。该算法之所以称为复制算法，是因为它将存活的对象复制到空闲的区域，而不是标记并清除未使用的对象。

这种算法具有以下优点：

• 简单高效：此算法无需遍历整个堆，因此速度快得多
• 没有碎片：内存区域在此过程中总是连续的，不会产生碎片问题

但是复制算法也有一定的弊端：

• 相对低效：这种算法消耗的内存用来复制所有存活的对象，可能会比处于两个区域之一的其他算法多。这通常是选择自适应分代收集算法的原因。

标记-整理算法（Mark-Compact）

标记整理算法和标记清除算法非常相似，它们的标记阶段都是相同的。在标记未使用的空间时，标记-整理算法继续执行额外的操作 - 它将所有存活的对象移动到内存区域的开始处。运行此算法后，所有活动内存都将位于堆的一端。

这种算法的另一个优点是它可以确保内存区域不会出现任何碎片。

然而，标记整理算法的缺点是它需要移动存活对象，这可能影响程序的性能，尤其是在大型内存分配时。

分代收集算法（Generational）

JVM自适应分代收集算法是称为分代收集的垃圾回收算法。这种算法的想法很简单，代码执行的过程中对象被分为不同的年龄组。具有最短生命周期的新对象将存储在更高的内存段中，具有较长生命周期的旧对象将存储在更低的内存段中。

此算法的核心是它对垃圾对象的区分方式。记住，回收不必回收所有对象，只需要回收垃圾对象并将存活的对象移动到其他地方。通过检查从堆分配到伊始的对象，并将其标记为活着的，并检查所有在这个对象引用之后创建的对象，分代收集算法革新了GC，避免了标记所有对象所需的大量成本。

示例说明

复制算法示例

例如，假设有一个简单的Java程序，每个对象的大小为1k，并且在执行Java代码时，运行时会生成100MB的Java堆。如果我们使用复制算法，我们将Java堆分成两个大小相等的区域（50MB each）。在垃圾回收开始时，第一个区域将是当前活动对象的容器，另一个区域将是空闲的。

随着程序的执行，活动区域可能会被填满。此时，垃圾回收程序将激活，并复制所有还活着的对象到空闲的区域中。然后，现有的活动区域将被清除，以使新的垃圾回收可以开始，反复进行这个过程，直到程序终止。

分代收集算法示例

考虑到Java程序主要面对的是长期存活的对象，这就是为什么分代回收算法更重要的原因。这个算法的基本想法是：
* 首先将所有新活动对象存储在一个堆中（我们称之为“年轻代”），我们预测，这些对象不久就会被垃圾回收程序回收。因此，这个堆的大小要尽可能小，这样在垃圾回收时需要扫描的对象数量较少。
* 对于那些存活时间较长的对象被放置在堆（我们称之为“老年代”）的另一端。在老年代中，被存活了多轮的对象才被标记为垃圾对象，并进行清理。

例如，像Web容器或应用服务器的JVM实例可以选择在堆中创建三个不同的区域（新生代，年老代和永久区）。在这种情况下，所有新活跃的对象将存储在“新生代”中，然后在每个垃圾回收过程中逐步晋升为更长寿的代（直到进入“老年代”）。

总结

了解JVM垃圾回收算法至关重要，因为它直接影响Java应用程序的性能和可靠性。正如本文所述，JVM垃圾回收算法不仅提供了不同的垃圾回收方式，还为程序员和开发者提供了基于程序的硬件和大小限制的选择，并提供了一些已知的最佳实践，以确保程序的最佳性能。