JVM(九):垃圾回收算法

在本文中，我们将从概念模型的角度探讨 JVM 是如何回收对象，包括 JVM 是如何判断一个对象已经死亡，什么时候在哪里进行了垃圾回收，垃圾回收有几种核心算法，每个算法优劣是什么等。

为何需要GC

Java 中的一个核心技术就是自动垃圾回收，该技术使得程序员可以不用像写 C++ 一样手动分配和释放内存，那么为何还需要我们去学习垃圾回收呢。这里就要说到两个概念了。

内存泄露：有已经不再使用的对象仍然占用着内存；
内存溢出：已经没有足够的空间可以让 JVM 分配内存给对象了。

大量的内存泄露会引发内存溢出，但内存溢出不一定是内存泄露引起的，也可能是因为总共的内存空间就不够大，而需要分配的对象太大导致。

学习垃圾回收的背后逻辑，可以让我们在程序发生内存溢出的时候，快速高效地排查出问题进行解决。并且学习了 GC 的细节，也有助于我们调节 JVM 的一些运行参数，让系统达到更高的并发量。

对象的死亡

如果要销毁一个对象，那么就需要确定该对象已经死亡，只有这样才能够将该对象所占的内存空间进行释放。那么 JVM 是如何判断一个对象已经死亡了呢。

引用计数法

引用计数法实现十分简单，就是给每一个对象增加一个计数器，每当有一个地方对其进行了引用就 +1，当引用失效时就 -1，如果计数器的值为 0，则代表该对象已经不再被使用了，可以对其回收了。

这种方式的最大优点就是实现简单，判定效率高。但其有一个致命的缺点就是 循环引用问题。当两个对象互相引用，但其实他们已经没有任何其他用处了。此时因为彼此间还存在引用，就会发生循环引用，使用引用计数法就无法对其进行回收。

可达性分析算法

正是因为引用计数法那个致命的缺点，因此主流的实现都是通过 可达性分析 来判断对象能否进行销毁。其核心思想是通过一系列称为 "GC Roots" 的节点来作为起始点，从这些节点开始搜索，这个搜索的轨迹被称为 "引用链"，如果一个对象没有包含在任何一个引用链中，那么就判断该对象是无效的。

概念中说到是通过 GC Roots 来作为起始点，那么哪些对象可以作为GC Roots呢。

虚拟机栈中引用的对象；
本地方法栈中引用的对象；
方法区中静态属性引用的对象；
方法区中常量引用的对象。

引用的区分

在判断对象能否被销毁的时候，都使用到了引用这个词语，说的是如果有被引用的，那么就不销毁，如果没有引用则将其进行销毁，这种分别方式非黑即白，太过强硬，因此 JDK1.2 之后对引用的含义进行了扩充，实现了多级回收的效果。即在内存不紧张的时候，有一些对象是可以进行保留的，但如果内存紧张的时候，就需要对其进行回收。

强引用：我们平常在编程使用的引用都是这种，普遍存在的引用，只要是这个，就不会被回收；
软引用：有用但非必需。在内存很紧张快要溢出的时候，就会回收这些对象，如果回收后还没有空余空间才会报内存溢出。这种引用通常用来实现内存敏感的缓存；
弱引用：比软引用更弱一些，只能活到下一次垃圾回收前。其实主要回收的就是这些内存；
虚引用：虚引用不对对象生存时间造成影响，也无法通过虚引用获得对象实例。其存在的价值就是在对象收到回收的时候，能够让系统做一些事。应用场景为跟踪对象被 GC 的活动，因为其被回收的时候系统会受到一条系统通知。

方法区的回收

前面说的都是对象的回收，即对堆内存的回收，但其实在方法区内也是有垃圾回收的。在方法区内回收的内容主要是 废弃常量 和 无用的类。

其中废弃常量很好理解。就是常量池中的一个常量已经没有任何对象引用它了，即其已经没有价值了，那么就会将其移出常量池，回收其空间。

而对无用的类进行回收又是怎么理解的呢。首先我们需要判断什么是无用的类。一个类是无用的，需要满足以下3点：

该类的实例都已经被回收了，即堆中没有该类的实例对象
加载该类的 ClassLoader 已经被回收
无法通过反射访问该类，即该类对应的 java.lang.Class 对象没有被调用

只有满足以上3点的类才可以被回收，但其是否回收取决于 JVM 启动时的参数控制。JVM 可以在启动时设置不对类进行回收。

回收算法

上面我们已经明白了什么对象是可以回收的，那么我们该如何针对这些对象进行回收呢。回收前后内存空间又是如何布局的呢。下面就让我们来看一下几个主流的 GC 算法。

标记-清除算法

标记-清除算法是最简单，最基本的算法。其本质就如同其名字一样，分为2个步骤，首先标记出所有需要清除的对象，然后在回收阶段，统一清除即可。

但其拥有两个严重的缺点。一个是标记和清除阶段都不快，效率很低；另一个是其只是单纯的将无用的对象清除，很容易造成大量的内存碎片，如果内存碎片太多，那么在分配大对象的时候，就很容易造成内存不够的情况。因此针对这些情况，就出现了几个改进的优良版本。

标记-整理算法

标记-整理算法解决的是内存碎片的问题，在标记阶段还是采取一样的解决方式，但在下个阶段并不是直接清除掉无用对象，而是先将有用的对象移到内存的一边，然后直接回收掉分界线一边的对象，这样就可以腾出许多规整的空间。

复制算法

标记-整理算法只是解决了内存碎片的问题，但是效率问题还是一个痛点，因此就有人提出了复制算法。其将内存空间分为 2 部分，每一次只使用其中一块，当这一块的空间用完了，就将存活的对象复制到另一边去，然后将使用过的空间直接清理掉即可。这种算法十分的高效，也解决了内存碎片的问题。

但其将可用空间简单的划分为了50-50，代价十分的高昂。不过经过研究表明，新生代对象大部分都是朝生夕死的，因此不需要按照 1:1 的比例来划分空间。商用的虚拟机 HotSpot 就是默认将内存划分为 8:1:1，即一块Eden区，两个Survivor区，在进行分配时，将 Eden 和一个 Survivor 直接复制到另一个 Survivor 即可，这样解决了复制算法空闲空间太大的问题，又提高了 GC 的效率。

但是也正是因为这样的划分，Survivor 的内存空间是比较小的，因此需要有一个其他内存进行分配担保，确保大对象也能够进行内存分配，这就老年代存在的价值之一。当另一块 Survivor 没有足够空间放置对象时，将会直接将对象分配至老年代。而老年代采取的 GC 算法为标记-整理算法。

分代算法

经过上面 3 种算法的分析，想必大家也想到了，分代算法其实并不是一个新算法，其只是根据前面算法的优劣将内存空间进行了划分，对每个不同的空间采取不同的算法，以便根据各个不同的年代采取不同的，最适合的算法。

在 Java8 之前，方法区称为永久代，也如同堆空间一样被 GC 进行管理，但在 Java8 之后，这种实现方式被MetaSpace 取代，采用直接内存的方式来进行内存分配管理.

Hotspot 将内存划分为新生代和老年代。新生代因为大部分的对象都是快节奏的，因此采用复制算法来处理。而老年代因为对象存活率高，且已经没有额外空间对齐进行分配担保了，因此采用标记-清理或标记-整理算法进行处理。

总结

在本文中，我们介绍了什么是垃圾回收，如何判断对象应该进行回收了，以及回收逻辑的几个不同抽象模型。在后面的文章，我们将对算法的具体实现进行探讨，了解当前业内主流的虚拟机实现，看看在实际生产情况下，不同的 垃圾收集器 的具体实现方式.

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本系列文章主要借鉴自《深入分析 JavaWeb 技术内幕》和《深入理解 Java 虚拟机-JVM高级特性与最佳实践》。