JVM虚拟机垃圾回收(GC)算法及优缺点

一、什么是GC

  GC是jvm的垃圾回收，垃圾回收的规律和原则为：
  次数上频繁收集新生区（Young）
  次数上较少收集养老区(Old)
  基本上不动永久区(Perm)

二、GC算法（分代收集算法）

  GC总共有四大算法，分别是：

  ①引用计数法

  ②复制算法(Copying)

  ③标记清除(Mark-Sweep)

  ④标记压缩(Mark-Compact)

  ⑤标记清除压缩(Mark-Sweep-Compact)

1.1 引用计数法

1.2 复制算法(Copying)

  复制算法主要用在新生代中。

1.2.1 复制算法原理

  Minor GC会把Eden中的所有活的对象都移到Survivor区域中，如果Survivor区中放不下，那么剩下的活的对象就被移到Old generation中，也即一旦收集后，Eden是就变成空的了。

  当对象在 Eden ( 包括一个 Survivor 区域，这里假设是 from 区域 ) 出生后，在经过一次 Minor GC 后，如果对象还存活，并且能够被另外一块 Survivor 区域所容纳( 上面已经假设为 from 区域，这里应为 to 区域，即 to 区域有足够的内存空间来存储 Eden 和 from 区域中存活的对象 )，则使用复制算法将这些仍然还存活的对象复制到另外一块 Survivor 区域 ( 即 to 区域 ) 中，然后清理所使用过的 Eden 以及 Survivor 区域 ( 即 from 区域 )，并且将这些对象的年龄设置为1，以后对象在 Survivor 区每熬过一次 Minor GC，就将对象的年龄 + 1，当对象的年龄达到某个值时 ( 默认是 15 岁，通过-XX:MaxTenuringThreshold 来设定参数)，这些对象就会成为老年代。

  复制必交换，谁空谁为to

  年轻代中的GC,主要是复制算法（Copying）

1.2.1 复制算法优缺点

  HotSpot JVM把年轻代分为了三部分：1个Eden区和2个Survivor区（分别叫from和to）。默认比例为8:1:1。

  一般情况下，新创建的对象都会被分配到Eden区(一些大对象特殊处理),这些对象经过第一次Minor GC后，如果仍然存活，将会被移到Survivor区。

  对象在Survivor区中每熬过一次Minor GC，年龄就会增加1岁，当它的年龄增加到一定程度时，就会被移动到年老代中。因为年轻代中的对象基本都是朝生夕死的(90%以上)，所以在年轻代的垃圾回收算法使用的是复制算法，复制算法的基本思想就是将内存分为两块，每次只用其中一块，当这一块内存用完，就将还活着的对象复制到另外一块上面。复制算法不会产生内存碎片。

  复制算法它的缺点也是相当明显的。

  1、它浪费了一半的内存，这太要命了。

  2、如果对象的存活率很高，我们可以极端一点，假设是100%存活，那么我们需要将所有对象都复制一遍，并将所有引用地址重置一遍。复制这一工作所花费的时间，在对象存活率达到一定程度时，将会变的不可忽视。 所以从以上描述不难看出，复制算法要想使用，最起码对象的存活率要非常低才行，而且最重要的是，我们必须要克服50%内存的浪费。

1.3 标记清除(Mark-Sweep)算法

  养老代一般是由标记清除或者是标记清除与标记整理的混合实现

1.3.1 标记清除算法原理

  当堆中的有效内存空间（available memory）被耗尽的时候，就会停止整个程序（也被称为stop the world），然后进行两项工作，第一项则是标记，第二项则是清除。

• 标记：从引用根节点开始标记所有被引用的对象。标记的过程其实就是遍历所有的GC Roots，然后将所有GC Roots可达的对象标记为存活的对象。

• 清除：遍历整个堆，把未标记的对象清除。

  缺点：此算法需要暂停整个应用，会产生内存碎片

  用通俗的话解释一下标记/清除算法，就是当程序运行期间，若可以使用的内存被耗尽的时候，GC线程就会被触发并将程序暂停，随后将依旧存活的对象标记一遍，最终再将堆中所有没被标记的对象全部清除掉，接下来便让程序恢复运行。

1.3.2 标记清除算法优缺点：

• 缺点

  1、首先，它的缺点就是效率比较低（递归与全堆对象遍历），而且在进行GC的时候，需要停止应用程序，这会导致用户体验非常差劲

  2、其次，主要的缺点则是这种方式清理出来的空闲内存是不连续的(内存碎片)，这点不难理解，我们的死亡对象都是随即的出现在内存的各个角落的，现在把它们清除之后，内存的布局自然会乱七八糟。而为了应付这一点，JVM就不得不维持一个内存的空闲列表，这又是一种开销。而且在分配数组对象的时候，寻找连续的内存空间会不太好找。

• 优点
  
    不需要双倍的内存空间。

1.4 标记压缩(Mark-Compact)

养老代一般是由标记清除或者是标记清除与标记整理的混合实现

1.4.1 标记压缩算法原理

  在整理压缩阶段，不再对标记的对象做回收，而是通过所有存活对象都向一端移动，然后直接清除边界以外的内存。

  可以看到，标记的存活对象将会被整理，按照内存地址依次排列，而未被标记的内存会被清理掉。如此一来，当我们需要给新对象分配内存时，JVM只需要持有一个内存的起始地址即可，这比维护一个空闲列表显然少了许多开销。

1.4.2 标记清除算法优缺点

• 优点

  **标记/整理算法不仅可以弥补标记/清除算法当中内存区域分散的缺点，也消除了复制算法当中，内存减半的高额代价**

• 缺点

  标记/整理算法唯一的缺点就是效率也不高，不仅要标记所有存活对象，还要整理所有存活对象的引用地址。从效率上来说，标记/整理算法要低于复制算法。

1.5 标记清除压缩(Mark-Sweep-Compact)

1.5.1 标记清除压缩算法原理

  标记清除压缩算法就是将标记清除算法与标记压缩算法结合起来。

三、总结

3.1 各个算法对比

  内存效率：复制算法>标记清除算法>标记整理算法（此处的效率只是简单的对比时间复杂度，实际情况不一定如此）。

  内存整齐度：复制算法=标记整理算法>标记清除算法。

  内存利用率：标记整理算法=标记清除算法>复制算法。

  可以看出，效率上来说，复制算法是当之无愧的老大，但是却浪费了太多内存，而为了尽量兼顾上面所提到的三个指标，标记/整理算法相对来说更平滑一些，但效率上依然不尽如人意，它比复制算法多了一个标记的阶段，又比标记/清除多了一个整理内存的过程。

  所以针对不同的垃圾回收的算法的不同的特点，所以针对jvm堆中不同的区采用不同的算法，即分代收集算法。

3.2 不同分区的不同算法

• 年轻代(Young Gen)

  年轻代特点是区域相对老年代较小，对象存活率低。

  这种情况复制算法的回收整理，速度是最快的。复制算法的效率只和当前存活对象大小有关，因而很适用于年轻代的回收。而复制算法内存利用率不高的问题，通过hotspot中的两个survivor的设计得到缓解。

• 老年代(Tenure Gen)

  老年代的特点是区域较大，对象存活率高。

  这种情况，存在大量存活率高的对象，复制算法明显变得不合适。一般是由标记清除或者是标记清除与标记整理的混合实现。

  Mark阶段的开销与存活对象的数量成正比，这点上说来，对于老年代，标记清除或者标记整理有一些不符，但可以通过多核/线程利用，对并发、并行的形式提标记效率。

  Sweep阶段的开销与所管理区域的大小形状相关，但Sweep“就地处决”的特点，回收的过程没有对象的移动。使其相对其它有对象移动步骤的回收算法，仍然是效率最好的。但是需要解决内存碎片问题。

  Compact阶段的开销与存活对象的数据成开比，如上一条所描述，对于大量对象的移动是很大开销的，做为老年代的第一选择并不合适。

  基于上面的考虑，老年代一般是由**标记清除**或者是**标记清除**与 **标记整理** 的混合实现。以hotspot中的CMS回收器为例，CMS是基于Mark-Sweep实现的，对于对象的回收效率很高，而对于碎片问题，CMS采用基于Mark-Compact算法的Serial Old回收器做为补偿措施：当内存回收不佳（碎片导致的Concurrent Mode Failure时），将采用Serial Old执行Full GC以达到对老年代内存的整理。