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:

初始状态

改变引用后:

这里写图片描述

标记–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。

这里写图片描述

标记–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:

这里写图片描述

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)

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