Java GC垃圾回收算法分析

什么是Java垃圾回收

Java垃圾回收是指在Java虚拟机运行时，对无用对象所占用的内存进行回收，以便为新的对象腾出空间。Java虚拟机中垃圾回收是一种自动化的过程，它不需要程序员手动干预，但是程序员可以通过代码的方式对垃圾回收过程进行影响。

Java垃圾回收算法

在Java虚拟机对内存进行垃圾回收时，需要选择一个合适的垃圾回收算法。目前Java垃圾回收算法主要有以下几种：标记-清除算法、复制算法、标记-整理算法和分代算法。

标记-清除算法

标记-清除算法是最基本的垃圾回收算法，其核心思想是将所有的内存块分为标记区和未标记区，回收时，先对所有的内存块进行标记，然后对所有未标记的内存块进行回收，达到释放内存的目的。该算法的优点是实现简单，缺点是容易产生内存碎片，影响内存的连续性。

复制算法

复制算法主要是应用于年轻代中，其核心思想是将原始内存分为两块，每次只使用其中的一块，当一部分内存使用完毕后，将其里面的存活对象复制到另一块内存中，然后将原来那部分内存全部清空，达到了释放内存的目的。该算法的优点是实现简单，回收高效，缺点是需要开辟两倍的空间，适用于内存较小的情况。

标记-整理算法

标记-整理算法是标记-清除算法的改进版本。该算法在移动标记区域的同时，整理出一个连续的空闲内存块，所有的对象都向这个方向移动。该算法的优点是解决了产生内存碎片的问题，缺点是实现比较麻烦。

分代算法

分代算法主要是应用于年轻代和老年代的垃圾回收。该算法基于一个事实，即大部分对象的生命周期都比较短暂，在年轻代中进行频繁的内存回收，而老年代中存储的对象生命周期长，较少进行回收。因此，基于这个事实，该算法分别针对年轻代和老年代采用不同的垃圾回收策略。其中，年轻代采用复制算法，老年代采用标记-整理算法或标记-清除算法。

示例说明

示例一：年轻代垃圾回收

当在Java虚拟机中执行一个程序时，JVM会为程序运行分配一块内存。假设在程序运行过程中，年轻代中的某一块内存已使用完毕，此时年轻代需要进行一次垃圾回收，此时JVM会使用复制算法进行内存回收。其回收过程如下：

1. 将原始内存分为两部分，每次只使用一部分内存；
2. 将使用完毕的一部分内存中所有存活的对象复制到另一部分内存中；
3. 清空已经使用完毕的一部分内存中的所有内存块；
4. 将原来使用的内存和新置换的内存进行互换。

复制算法的优点是垃圾回收高效，回收速度较快，但其缺点是需要开辟两倍的空间，适用于内存较小的情况。内存变化如下图所示：

+-----------------------+
|        old-gen        |
+-----------------------+
|   survivor-to-space   |
+-----------------------+
|   survivor-from-space |
+-----------------------+
|       eden-space      |
+-----------------------+

示例二：老年代垃圾回收

JVM中，老年代中的垃圾回收一般使用标记-清除算法或标记-整理算法，算法的选择取决于具体的对象分配情况。同时，标记-整理算法是标记-清除算法的改进版本，在执行过程中不会产生内存碎片。

在老年代中，一般采用分代算法，即将年轻代和老年代分别进行垃圾回收，因为大多数对象在分配后，会经历短时期的使用，并且在这个时间段内，生命周期相对比较短暂。

标记-整理算法中的垃圾回收过程如下：

1. 将所有存活的对象进行标记；
2. 整理出一个连续的空闲内存块，将所有对象向这个方向移动；
3. 将没有存活对象所占用的内存回收，对于没有被移动的对象进行去标记。

标记-整理算法的优点是没有内存碎片的问题，缺点是实现比较麻烦。内存变化如下图所示：

+-----------------------+
|      non-continuous   |
|   memory blocks       |
+-----------------------+
| continuous memory     |
| blocks after          |
| defragmentation       |
+-----------------------+