JVM中的垃圾收集算法和Heap分区简记

如何判断垃圾对象？

垃圾收集的第一步就是先需要算法来标记哪些是垃圾，然后再对垃圾进行处理。

 

引用计数（ReferenceCounting）算法

这种方法比较简单直观，FlashPlayer/Python使用该算法，简单高效。核心思路是，给每个对象添加一个被引用计数器，被引用时+1，引用失效-1，等于0时就表示该对象没有被引用，可以被回收。但是，Java/C#并不采用该算法，因为该算法没有解决对象相互引用的问题，即：当两个对象相互引用且不被其它对象引用时，各自的引用计数为1，虽不为0，但仍然是可被回收的垃圾对象。

 

根搜索（GC Roots Tracing）算法

基本原理是：GCRoot对象作为起始点（根）。如果从根到某个对象是可达的，则该对象称为“可达对象”（存活对象，不可回收对象）。否则就是不可达对象，可以被回收。

 

垃圾收集算法

垃圾收集器通常会假设大部分的对象的存活时间都非常短，只有少数对象的存活时间比较长。

垃圾收集算法在JVM中主要是复制算法（新生代GC）和标记/整理算法（老年代GC）。

 

标记-清除（Mark-Sweep）算法

算法过程：

1. 先判定对象是否可回收，对其标记。
2. 统一回收（简单地删除对垃圾对象的内存引用）。

优点：简单直观容易实现和理解。缺点：效率不高，内存空间碎片化。

 

复制（Copying）算法

将内存平均分成A、B两块，算法过程：

1. 新生对象被分配到A块中未使用的内存当中。当A块的内存用完了， 把A块的存活对象对象复制到B块。

2. 清理A块所有对象。

3. 新生对象被分配的B块中未使用的内存当中。当B块的内存用完了， 把B块的存活对象对象复制到A块。

4. 清理B块所有对象。

5. goto 1。

优点：简单高效。缺点：内存代价高，有效内存为占用内存的一半。

 

对复制算法进一步优化：使用Eden/S0/S1三个分区

平均分成A/B块太浪费内存，采用Eden/S0/S1三个区更合理，空间比例为Eden:S0:S1==8:1:1，有效内存（即可分配新生对象的内存）是总内存的9/10。

算法过程：

1. Eden+S0可分配新生对象；

2. 对Eden+S0进行垃圾收集，存活对象复制到S1。清理Eden+S0。一次新生代GC结束。

3. Eden+S1可分配新生对象；

4. 对Eden+S1进行垃圾收集，存活对象复制到S0。清理Eden+S1。二次新生代GC结束。

5. goto 1。

 

标记-紧凑（Mark-Compact）

算法过程：

1. 标记：标记可回收对象（垃圾对象）和存活对象。

2. 紧凑（也称“整理”）：将所有存活对象向内存开始部位移动，称为内存紧凑（相当于碎片整理）。完毕后，清理剩余内存空间。

 

分代收集策略

由于不同的对象适合使用不同的垃圾收集算法，所以引入“代”这个概念。不同的代有不同的分区，一般分为新生代区和老年代区。

新生代：适合采用复制算法进行垃圾收集，对象分布在Eden/S0/S1三个区。

老年代：适合采用标记-紧凑算法进行垃圾收集。

 

Heap分区和分代概念

Heap分区的目的

1. 为了分代：不同代的对象放到不同的内存分区中，实现“代提升”，也方便实现对不同分代采用不同的垃圾收集算法。

2. 垃圾收集算法需要：新生代GC使用到复制算法，该算法需要将对应的分区划分成三个分区：Eden/S0/S1。

 

术语

Generation代

 - YongGeneration/NewGeneration：新生代，在Eden/S0/S1的存活的对象。

 - OldGeneration：老年代，在Tenured区存活的对象。
 - PermanentGeneration：永久代。
Space 区

 - Eden：伊甸园区，是新生代的一个区。
 - Survivor：幸存区，属于新生代，为了复制算法的需要。一般分成大小相等的两个区（S0/S1或者From/To）。

 - Tenured：存放老年代的区域。
 - Permanent：终身区。

 

下图：Hotspot 的 Heap 分区

 

 

下图：VisualVM 中通过 VisualGC插件显示的分区

 

 

Eden/S0/S1 新生代

[Eden                 ][S0     ][S1    ]

S0/S1是大小相当的两个区域，共同组成Survivor区。

空间比例：Eden:S0==8:1。设定方法：-XX:SurvivorRatio=8。

新生对象在Eden/S0或者Eden/S1中分配，Eden区的对象量达到一个阈值后，发生一次新生代GC。

 

Old 老年代

每个对象有“对象年龄计数器”。对象由Eden收集到Survivor区后，年龄+1。进行新生代GC后，年龄+1。依次，当年龄>=15后进入老年代。

最大年龄阈值设定：-XX:MaxTenuringThreshold。

动态年龄：如果在Survivor中所有相同年龄对象占用了空间的一半多，大于等于上述年龄的对象直接进入老年代。

大对象（比如大的数组）直接进入老年代。阈值设定：-XX:PretenureSizeThreshold。

 

Perm 永久代（PermanentGeneration）

用于存放不变对象，如类、方法、字符串等。

Java7把驻留字符串（intentd string）放到了老年代区。Java8中移除了Hotspot的永久代区。

 

Refs

《深入理解Java虚拟机》

http://www.oracle.com/webfolder/technetwork/tutorials/obe/java/gc01/index.html