详解JVM的垃圾回收算法和垃圾回收器

开篇

我们知道JVM的垃圾回收机制实际上是对JVM内存的操作，回收的目的是为了避免内存溢出和内存泄漏的问题。而JVM内存由方法区、堆、虚拟机栈、本地方法栈以及程序计数器5块区域组成，虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器是随着Java线程建立而建立，当Java 线程完成之后这三个部分的内存就会被释放掉。

而方法区和堆属于共有线程，是随着JVM启动而建立的，而且这两个区域与另外三个区域也有所不同，一个接口中有多少个实现类（方法区）以及每次程序运行需要创建多少对象（堆）是动态的，也就是说在程序运行时才能知道。

为了让这部分动态的内存分配能够进行合理的回收，就需要垃圾回收算法和垃圾回收器来帮忙了。下面让我们进入今天的主题。

如何判断对象“存活”？

JVM 垃圾回收机制是对堆中没有使用的对象进行回收，那么判断对象是否“存活”就至关重要。在判断对象是否“存活”的方法中，我们会介绍引用计数算法和可达性分析法。

引用计数算法

Java 堆中针对每个对象都设置一个引用计数器。当一个对象被创建并初始化赋值后，该变量计数设置为1。每当有一个地方引用它时，计数器值就加1。当引用失效时，即一个对象的某个引用超过了生命周期（出作用域后）或者被设置为一个新值时，计数器值就减1。任何引用计数为0的对象可以被当作垃圾回收。当一个对象被垃圾回收时，它引用的任何对象计数减1。

这种方法的优点很明显，引用计数回收器执行简单，判定效率高，对程序不被长时间打断的实时环境比较有利。不过缺点也很明显，对于对象循环引用的场景难以判断，同时引用计数器增加了程序执行的开销。Java语言并没有选择这种算法进行垃圾回收。

可达性分析法

可达性分析法也叫根搜索算法，通过称为 GC Roots 的对象作为起点，从上往下进行搜索。搜索所走过的路径称为引用链 （Reference Chain）， 当发现某个对象与 GC Roots之间没有任何引用链相连时， 即认为该对象不可达，该对象也就成了垃圾回收的目标。

如图1 所示，从GC Roots 开始没有引用链和Obejct5、Object6 和Object7 相连，因此这三个对象对于GC Roots 而言就是不可达的，会被垃圾回收，即便他们互相都有引用。

图1 可达性分析法

在Java中，可作为GC Roots的对象包括如下四种：

· 虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象

· 本地方法栈 中 JNI （Native方法）引用的变量

· 方法区 中类静态属性引用的变量

· 方法区 中常量引用的变量

前面谈到的可达实际上是在判断对象是否被引用，如果没有被引用，垃圾回收器会将其进行回收。不过我们希望存在这样一些对象，当内存空间足够的情况下尽量将其保留在内存中，当内存不够的情况下，再回收这些对象。下面看看如何对如下对象进行处理：

· 强引用（Strong Reference）：例如，Object obj ＝ new Object（）这类引用，只要强引用存在，垃圾回收器永远不会回收掉被引用的对象。

· 软引用（Soft Reference）：在系统将要出现内存溢出之前，会将软引用对象列进回收范围之中进行二次回收。如果这次回收还没有足够的内存，才会抛出内存溢出异常。

· 弱引用（Weak Reference）：被弱引用关联的对象只能生存到下一次垃圾回收发生之前，无论当前内存是否足够，用软引用相关联的对象都会被回收掉。

· 虚引用（Phantom Reference）：虚引用也称为幽灵引用或幻影引用，是最弱的一种引用关系，为一个对象设置虚引用的唯一目的是：能在这个对象在垃圾回收器回收的时候收到一个系统通知。

垃圾回收算法

上面讲解了如何发现“存活”对象，JVM中会使用可达性分析法，说白了就是看GC Roots在引用链上是否有对应的对象被引用到了。接下来就在这个背景下看看有哪些垃圾回收的算法，这里我们列举出常见的几种：

标记清除算法

该算法分为标记和清除两个阶段，首先通过可达性分析法找到要回收的对象，也就是没有被引用的对象，对其进行标记，然后再对该对象进行清除也就是回收了。

如图2 所示，该算法会对内存空间进行扫描，发现GC Roots 对Object1 和Object2 进行引用，但是对Object2 没有引用。首先标记Object2 没有被引用。

图2

如图3 所示，算法再次对内存进行扫描，清除Object2 对象占用的空间，将其设置为空闲空间。

图3 标记清除算法

该算法的优点就是简单粗暴，没有引用的对象会被清除掉，但是缺点是效率问题。标记和清除操作会扫描整个空间两次（第一次：标记存活对象；第二次：清除没有标记的对象）才能完成清理工作。同时清理过程容易产生内存碎片，这些空闲的空间无法容纳大对象，如果此时有一个比较大的对象进入内存，由于该内存中没有连续的容纳大对象的空间，就会提前触发垃圾回收。

复制算法

为了解决标记清除法带来的问题，复制算法将内存划分为大小相等的两块，每次使用其中的一块，当这块的内存使用完毕以后，再将对象复制到另外一块上面，然后对已经使用过的内存空间进行清理。这样每次对内存的一半区域进行回收，不用考虑内存碎片的问题。

如图4 所示，上面的区域是垃圾回收之前的内存空间，我们用黑色的虚线将内存分为两个部分。左边的部分是正在使用的空间，右边是预留空间。左边区域中红色的部分是不可回收的内存，也就是说这里面有被GC Roots 引用的对象，另外灰色的部分是可回收的区域，也就是没有被GC Roots 引用的对象，白色区域是未分配的。

如果通过复制算法进行垃圾回收，顺着绿色的箭头向下，在回收后的内存区域可以看到，将左侧红色的内存对象移动到了右侧预留的区域，并且按照顺序排放。然后对左侧运行的内存区域进行清理，成为预留区域等待第二次垃圾回收的执行。

图4 复制算法

复制算法的优点是简单高效，不会出现内存碎片。缺点也明显，内存利用率低，只有一半的内存被利用。特别是存活对象较多时效率明显降低，因为需要移动每个不可回收数据的内存实际位置。

标记整理算法

该算法和标记清除算法相似，但是后续步骤并不是直接对可回收对象进行清理，而是让所有存活对象都移动到内存的前端，然后再清除掉其他可回收的对象所占用的内存空间。

如图5 所示，回收前的内存中红色为不可回收的内存空间，灰色是可回收空间，白色是未分配空间。执行标记整理算法的垃圾回收之后，将不可回收的内存空间整理到内存的前端，同时清除掉可回收的内存空间，此时不可回收空间之后存放的都是白色的未分配空间，供由新对象存放。

图5 标记整理算法

标记整理算法优点是解决了标记清理算法存在的内存碎片问题。缺点也是非常明显，需要进行局部对象移动，一定程度上降低了效率。

分代收集算法

分代收集算法，顾名思义是根据对象的存活周期将内存划分为几块，然后定义回收规则。如图6所示，从左到右分别是年轻代（Young Generation）、老年代（Old Generation） 和 永久代（Permanent Generation），另外年轻代又分为了Eden Space（伊甸空间） 、Survivor Space（幸存者空间）。分代收集的算法在当前商业虚拟机算法中被广泛采用。

图6 分代收集法

上面对分代收集法做了字面的解释，现将该算法的执行过程描述如下：

1）新产生的对象优先分配在Eden区（除非配置了－XX：PretenureSizeThreshold，大于该值的对象会直接进入老年代）。有这样一种情况，当对象刚刚在新生代创建就被回收了，对象从这个区域消失的过程我们称之为 minor GC。

2）当Eden区满了或放不下了，这时候其中存活的对象会复制到from区。如果此时存活下来的对象在from 区都放不下，就会放到老年代，之后Eden 区的内存会全部回收掉。

3）之后产生的对象继续分配在Eden区，当Eden区又满了或放不下了，这时候将会把Eden区和from区存活下来的对象复制到to区，此时如果存活下来的对象to区也放不下，会将其移动到年老代，同时会回收掉Eden区和from区的内存。

4）如果按照如上操作将对象在几个区域中移动，会出现对象被多次复制的情况，对象被复制一次，对象的年龄就会＋1。默认情况下，当对象被复制了15次（通过：－XX：MaxTenuringThreshold来配置），该对象就会进入老年代了。

5）当老年代满了的情况下，就会发生一次Full GC。

备注：Minor GC指发生在新生代的垃圾收集动作，因为Java对象大多都具备朝生夕灭的特性，所以Minor GC非常频繁，一般回收速度也比较快。Full GC指发生在老年代的GC，出现了Full GC，经常会伴随至少一次的Full GC，Full GC的速度一般会比Minor GC慢10倍以上。

垃圾回收器

如果垃圾回收算法是内存回收的方法论的话，那么垃圾回收器就是内存回收的具体实现了。下面会针对JDK1．7 Update 14 之后的HotSpot虚拟机给大家做介绍。

如图7所示，这里将内存分为新生代和老年代，将7种不同垃圾回收器分布于其间，垃圾回收器之间存在连线，说明它们可以搭配使用。

虚拟机所处的区域，则表示它是属于新生代收集器还是老年代收集器。Hotspot实现了如此多的收集器，正是因为目前并无完美的收集器出现，只是选择对具体应用最适合的收集器。

图7垃圾回收器的分类