JVM中四种GC算法案例详解

介绍

程序在运行过程中，会产生大量的内存垃圾（一些没有引用指向的内存对象都属于内存垃圾，因为这些对象已经无法访问，程序用不了它们了，对程序而言它们已经死亡），为了确保程序运行时的性能，java虚拟机在程序运行的过程中不断地进行自动的垃圾回收（GC）。关于 JVM 的 GC 算法主要有下面四种：

引用计数算法（Reference counting）

算法思想：

每个对象在创建的时候，就给这个对象绑定一个计数器。每当有一个引用指向该对象时，计数器加一；每当有一个指向它的引用被删除时，计数器减一。这样，当没有引用指向该对象时，该对象死亡，计数器为0，这时就应该对这个对象进行垃圾回收操作。

核心思想：

为每个对象额外存储一个计数器 RC ，根据 RC 的值来判断对象是否死亡，从而判断是否执行 GC 操作。

优点：

• 简单
• 计算代价分散
• “幽灵时间”短（幽灵时间指对象死亡到回收的这段时间，处于幽灵状态）

缺点：

• 不全面（容易漏掉循环引用的对象）
• 并发支持较弱
• 占用额外内存空间

例子如图：

初始状态：

改变引用后：

标记?C清除算法（Mark-Sweep）

算法思想：

为每个对象存储一个标记位，记录对象的状态（活着或是死亡）。分为两个阶段，一个是标记阶段，这个阶段内，为每个对象更新标记位，检查对象是否死亡；第二个阶段是清除阶段，该阶段对死亡的对象进行清除，执行 GC 操作。

优点

• 最大的优点是，相比于引用计数法，标记―清除算法中每个活着的对象的引用只需要找到一个即可，找到一个就可以判断它为活的。
• 此外，这个算法相比于引用计数法更全面，在指针操作上也没有太多的花销。更重要的是，这个算法并不移动对象的位置（后面俩算法涉及到移动位置的问题）。

缺点

• 很长的幽灵时间，判断对象已经死亡，消耗了很多时间，这样从对象死亡到对象被回收之间的时间过长。
• 每个活着的对象都要在标记阶段遍历一遍；所有对象都要在清除阶段扫描一遍，因此算法复杂度较高。
• 没有移动对象，导致可能出现很多碎片空间无法利用的情况。

例子如图

这个图中，圆圈内灰色的对象就是已经死亡的对象，被标记为死亡，等待清除。

标记?C整理算法

算法思想

标记-整理法是标记-清除法的一个改进版。同样，在标记阶段，该算法也将所有对象标记为存活和死亡两种状态；不同的是，在第二个阶段，该算法并没有直接对死亡的对象进行清理，而是将所有存活的对象整理一下，放到另一处空间，然后把剩下的所有对象全部清除。这样就达到了标记-整理的目的。

优点

• 该算法不会像标记-清除算法那样产生大量的碎片空间。

缺点

• 如果存活的对象过多，整理阶段将会执行较多复制操作，导致算法效率降低。

例子

如图：

上面是标记阶段，下面是整理之后的状态。可以看到，该算法不会产生大量碎片内存空间。

复制算法

算法思想

该算法将内存平均分成两部分，然后每次只使用其中的一部分，当这部分内存满的时候，将内存中所有存活的对象复制到另一个内存中，然后将之前的内存清空，只使用这部分内存，循环下去。

注意：

这个算法与标记-整理算法的区别在于，该算法不是在同一个区域复制，而是将所有存活的对象复制到另一个区域内。

优点

• 实现简单
• 不产生内存碎片

缺点

• 每次运行，总有一半内存是空的，导致可使用的内存空间只有原来的一半。

总结

不同算法有不同的优点和缺点，除了引用计数法不常用外，其他三种算法在现在的java虚拟机上也是很常见的，间接说明了这几个经典算法还是有其适用性的。

理解 JVM 的 GC 算法能够帮助我们更好地理解java的垃圾回收机制，例如，在 JVM 的年轻代使用的是复制算法来进行垃圾回收（由于其中的存活对象比例较小）；而在老年代，使用的却是标记-清除法或标记-整理法（由于每次回收都只回收少量对象）