JVM垃圾回收演算法詳解

2019 年 10 月 19 日
筆記

前言

在JVM記憶體模型中會將堆記憶體劃分新生代、老年代兩個區域，兩塊區域的主要區別在於新生代存放存活時間較短的對象，老年代存放存活時間較久的對象，除了存活時間不同外，還有垃圾回收策略的不同，在JVM中中有以下回收演算法：

標記清除
標記整理
複製演算法
分代收集演算法

有了垃圾回收演算法，那JVM是如果確定對象是垃圾對象的呢？判斷對象是否存活JVM也會有幾套自己判斷演算法了：

引用記數
可達性分析

有了垃圾回收和判斷對象存在這兩個概念後，再來逐步分析它們。

JVM是如何判斷對象是否存活的？

要是讓開發人員來判斷一個對象是否有用是很簡單的，簡單的說就是：對象沒有任何引用就認為該對象可以被回收了。假設有如下程式程式碼：

public class App {        public static void main(){          checkFile("/");      }        public static boolean checkFile(String path ){          File file = new File(path);          return file.exists();      }  }

程式執行起來在調用checkFile的時候JVM圖大概像這樣：

到checkFile方法執行完成之後，它裡面的局部變數file就會隨著棧幀一起被清理，這個時候還存活在JVM堆中的File對象也是無用的了：

要是人為來判斷非常清晰的就發現File對象已經無用了，那換成JVM它又是如何來判斷對象是否能存活的呢？

引用記數

引用記數演算法原理比較簡單，想像下有個對象它有一個count屬性，每次引用該對象都會使count加1，假設JVM在判斷該對象是否存活的時候去檢查這個count屬性，發現這個屬性不為0說明還有其他對象在引用該對象。

等到checkFile方法執行完之後count就會減1變成0：

這樣一來JVM就很容易判斷一個對象是否存活了。

但是引用記數有一個明顯的缺點，就是無法解決循環引用的問題比如：A –> B –> A 這樣的對象關係它是沒有辦法來判斷對象是否該不該回收的。

GC Root（可達性分析）

為什麼會被稱為可達性分析演算法呢？可以這樣理解如果通過GC Root能到達一個對象那麼這個對象就是存活的。那什麼樣的對象才是GC Root呢？

在Java語言中，可作為GC Roots的對象包括下面幾種：

虛擬機棧中引用的對象（棧幀中的本地變數表）；
方法區中類靜態屬性引用的對象；
方法區中常量引用的對象；
本地方法棧中JNI（Native方法）引用的對象。

還是用上面的例子，在checkFile方法執行時，因為棧幀變數file可做為GC Root所以在執行期間JVM是絕對不會回收掉這個File對象：

但是等到checkFile執行完成之後，這個棧幀會被彈出，其中的變數也會被釋放，相應的沒有GC Root能到達堆中的File對象，這個時候就可以判斷這個對象是一個無用的對象了，然後安全回收。

垃圾收回演算法

標記清除

這種演算法分兩分：標記、清除兩個階段，
標記階段是從根集合（GC Root)開始掃描，每到達一個對象就會標記該對象為存活狀態，清除階段在掃描完成之後將沒有標記的對象給清除掉。

用一張圖說明：

這個演算法有個缺陷就是會產生記憶體碎片，如上圖B被清除掉後會留下一塊記憶體區域，如果後面需要分配大的對象就會導致沒有連續的記憶體可供使用。

標記整理

標記整理就沒有記憶體碎片的問題了，也是從根集合（GC Root)開始掃描進行標記然後清除無用的對象，清除完成後它會整理記憶體。

這樣記憶體就是連續的了，但是產生的另外一個問題是：每次都得移動對象，因此成本很高。

複製演算法

複製演算法會將JVM推分成二等分，如果堆設置的是1g，那使用複製演算法的時候堆就會有被劃分為兩塊區域各512m。給對象分配記憶體的時候總是使用其中的一塊來分配，分配滿了以後，GC就會進行標記，然後將存活的對象移動到另外一塊空白的區域，然後清除掉所有沒有存活的對象，這樣重複的處理，始終就會有一塊空白的區域沒有被合理的利用到。

兩塊區域交替使用，最大問題就是會導致空間的浪費，現在堆記憶體的使用率只有50%。

分代回收

新生代回收

JVM的堆分為新生代和老年代，兩種類型有不同的特性，根據它們的特性來選擇不同的回收演算法，這種演算法會將新生代劃分為一塊Eden和二個Survivor區：

如上面的圖有三塊區域它們會按照8:1:1的比例進行分配，如1000m的堆Eden是800m,二個Survivor各佔100m，那它們是如何運行的呢？

始終會有一塊Survivor是空著的，記憶體使用率是90%
程式運行會在Eden和其中一塊Survivor 1中分配記憶體
等到執行Minor gc，會將存活下來的對象移動到空著的Survivor 2中
然後在Eden和Survivor 2中繼續分配記憶體，Survivor 1空著等著下次使用

這樣就能使記憶體使用率達到90%，也不會產生記憶體碎片。

老年代回收

老年代對象即使進行了垃圾回收，對象的存活率也高，所以採用標記清除或標記整理演算法都是不錯的選擇，這裡就不做闡述。

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