Java垃圾回收之标记清除算法详解

什么是垃圾回收算法

垃圾回收算法是一种自动管理内存的机制，用于自动回收不再使用的内存空间。 Java 中垃圾回收算法主要有标记清除算法、复制算法、标记整理算法和分代收集算法。

标记清除算法

标记清除算法是最简单的一种垃圾回收算法，它分为两个步骤：标记和清除。

标记

标记可以理解为“识别”不再使用的对象，通常从“根对象”开始遍历所有可达对象，将其进行标记表示，这些被标记的对象将会被认为是“可达的”，也就是还在被使用中的对象。

清除

清除可以理解为“回收”不再使用的对象，进入清除阶段的是没有被标记的对象，它们是已经失效了的对象。在此阶段内，没有被标记的垃圾对象将被回收，以便为后续的数据留出更多的空间。

算法解析

标记清除算法的优点是实现简单，可以对非连续的内存进行回收。但是标记清除算法也存在一些问题。标记清除算法会产生大量的内存碎片，如果没有及时进行整理，无法满足程序对大块内存的需求，从而降低程序的执行效率。此外，标记清除算法无法避免“全停顿”问题，即在标记和清除垃圾对象的过程当中，整个程序都需要停止运行，直到整个清除过程完成才能继续执行，因此标记清除算法不适合对响应时间要求较高的应用程序。

标记清除算法示例

class Student {
    String name;
    int age;
    String major;
}

public class GCExample {
    public static void main(String[] args) {
        Student s1 = new Student();
        Student s2 = new Student();
        s1.name = "Alice";
        s1.age = 18;
        s1.major = "Computer Science";
        s2.name = "Bob";
        s2.age = 19;
        s2.major = "Mathematics";
        s1 = null; //将s1所指向的对象设置为null，使其成为垃圾对象
        System.gc(); //显式调用垃圾回收
    }
}

在以上示例中，创建了两个 Student 对象 s1 和 s2，其中 s1 对象被赋值为 null，成为垃圾对象。接着使用 System.gc() 显式调用垃圾回收。

标记清除算法缺陷

使用标记清除算法可能出现的一个问题是内存碎片，即大块的内存区域被分割成小块，程序无法找到足够大的连续内存区域，从而在申请较大的连续内存区域时可能会失败。

public class GCExample2 {
    public static void main(String[] args) {
        StringBuffer[] sArr = new StringBuffer[1000];
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            sArr[i] = new StringBuffer("A");
        }
        for (int i = 0; i < 900; i++) {
            sArr[i] = null;
        }
        System.gc();
    }
}

在以上示例中，创建了一个长度为 1000 的 StringBuffer 数组 sArr，其中每个 StringBuffer 对象的内容都为单个字符 “A”。接着将前 900 个 StringBuffer 对象设置为 null，成为垃圾对象。接着使用 System.gc() 显式调用垃圾回收。

上面的代码执行后，虽然被清理的内存得到了回收，但是这 900 个 StringBuffer 对象原来所占用的内存却无法被回收。因为这些对象占用的内存不是连续的，而是分散在整个 Java Virtual Machine 的堆内存空间中，无法复用废弃的内存空间。这就导致了程序无法得到足够的连续内存，从而可能在申请较大的连续内存区域时会失败。

结论

虽然标记清除算法是比较简单的垃圾回收算法，但其实际运行的效率和程序可有效使用的内存空间却普遍较低。在实际应用中，需要评估程序的特点和环境以决定是否要使用标记清除算法。