GC一探究竟（二）

1.前言

在上一篇博客中介紹了關于GC的一些對象回收判斷以及簡單介紹了方法區的回收，但你們有沒有想過，內存的垃圾是如何收集的。因此，本文將講述幾種常見的垃圾收集算法。

2. 標記-清除算法

2.1 原理

該算法分為標記，和清除兩個過程，其中，標記過程便是使用可達性分析算法，從GC Roots開始遍歷，在可達對象中的對象頭進行標記。而在清除過程，在堆內存中從頭到尾進行線性遍歷，清除不可達對象。同時，還需要將存活對象的標記清除掉，以便為下一次GC操作做好準備 。

2.2 優點

對于存活對象多的情況下，可以減少對象的移動（相對于下面的復制算法），提高效率。

2.3 缺點

• 標記和清除過程，是兩個遍歷的過程，兩次遍歷，效率不高
• 很明顯，當我們清除之后，會產生大量的不連續內存，存在過多的不連續內存，會導致在給大對象分配的內存空間的時候，會因為內存不足而頻繁的進行GC操作，降低程序效率

3. 復制算法

3.1 原理

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復制算法的原理便是把一整塊的空間分為兩塊，每次只使用一塊，當一塊使用完之后，可將不回收的對象復制到另一塊上，然后將舊的一塊的內存全部清空。

具體：當有效內存空間耗盡時，JVM將暫停程序運行，開啟復制算法GC線程。接下來GC線程會將活動區間內的存活對象，全部復制到空閑區間，且嚴格按照內存地址依次排列，與此同時，GC線程將更新存活對象的內存引用地址指向新的內存地址。

3.2 優點

• 對比標記-清除算法，采用復制算法，明顯可以減少大量的不連續內存空間。
• 對比標記-清除算法，可提高效率，不用兩次遍歷，只需一次遍歷，復制完之后，便可以清除舊空間內存。

3.3 缺點

• 很明顯，需要分出一半的空間進行復制用，會損失一半的內存，是典型的空間換時間的實現。
• 相對于一些存活對象很多的情況下，則需要復制的對象過多，將會降低效率，因此它適用于存活量少的區域回收內存。

3.4 應用舉例

堆中的新生代區（后面會講）中的98%的對象都是”朝生夕死“的，因此特別適合用復制算法回收，而且由于存貨量很少，不需要劃出一半的內存用做保留區。而是劃出一塊較大的Eden和兩塊較小的Survivor空間，在HotSpot中，Eden：Survivor=8:1。

當回收的時候，將Eden和Survivor中的存活對象復制到另一個Survivor中，然后回收掉它們的全部內存，之后那塊Survivor就作為保留區用。

但是，這樣算下來，堆中新生代的10%內存會被浪費，也即是用來存放每次回收存活對象的內存之后新生代的10%。我們無法保證每次回收都只有不多于10%的對象存活。當Survivor空間不夠用的時候，需要依賴其他內存（這里指老年代）進行分配擔保，也即不夠存放的那些對象將直接通過分配擔保機制進入老年代。（分配擔保，后面會講）

4. 標記-整理算法

4.1 原理

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標記-整理算法分為標記和整理兩個階段，標記過程就是和標記-清除過程是一致的，而標記之后，后續的步驟并不是直接清理可回收對象，而是讓所有存活的對象都向一端移動，然后直接清除掉端邊界以外的內存。

4.2整理過程

由標記-整理算法可以很清楚的知道，標記-整理算法的整理過程的工作便是，移動存活對象和更改所有指向被移動對象的指針。

4.1.1 整理順序

• 任意順序：對象的移動方式和它們初始的對象排列和引用關系無關
• 線性順序：將具有關聯關系的對象排列在一起
• 滑動順序：整理之后的對象順序與原先的不變

現在大多數的垃圾收集算法都是按照任意順序或滑動順序去實現的。

4.1.2 雙指針算法

雙指針算法屬于任意順序的整理算法，適用于固定大小對象的區域。

1. 過程原理

需要訪問兩次堆內存

• 第一次：將內存尾部的可達對象移動到頭部的空閑區域
• 第二次：修改可達對象的引用，指向引用的新地址

2.第一次遍歷

原理：在內存區域的頭部有個free指針，尾部有個scan指針，free指針向后遍歷，直到找尋到第一個空閑區域（沒有標記為可達對象的區域），此時scan指針向前遍歷，直到找尋到第一個存活對象，將存活對象移動到free指針下的空閑區域，并且把移動的位置記錄在原先的位置上（用于第二次遍歷的時候，修改引用）。重復以上操作，直到free指針和scan指針重復。結束第一次遍歷。

3. 第二次遍歷

第二次的遍歷目的在于修改被移動的對象的引用，更新為移動之后的位置。因此需要從GC Roots開始進行遍歷，如果發現引用指向的地址指針是在第一次遍歷之后的指針后面的，則說明該對象已經被移動，則取出其儲存的新位置的指針，修改其引用，重復操作，直到遍歷結束。

4.1.3 Lisp 2 整理算法

Lisp2算法是屬于滑動順序的一種，應用更為廣泛，對比雙指針算法，它可以處理不同大小的對象。它的缺陷在于，需要每個對象頭部額外增加一個完整的域(forwardingAddress)來記錄轉發地址。

1. 過程原理

• 第一次遍歷將所有存活對象的 forwardingAddress 域指向最后要移動到的地址。
• 第二次遍歷將所有指向存活對象的引用都修改為相應對象的 forwardingAddress。
• 第三次遍歷將所有存活對象轉移到 forwardingAddress 中。

2. 第一次遍歷

• 設置兩個指針在內存區域的頭部，分別是free指針和scan指針，free指針指向的區域代表的是后面遍歷的第一個存活對象所存儲的地址，scan指針用于遍歷后面的存活對象。
• 如圖所示，scan指針向后移動，訪問到的第一個存活對象是B，因此，需要在B對象記錄的轉發地址是free指向的地址，即0。此時free需要將指針后移，而后移的距離便是B對象的內存大小，作為下個存活對象的轉發地址，接下來便是scan指針繼續向后遍歷，尋找存活對象。
• 繼續重復過程，直到遍歷到內存區域尾部。

3. 第二次遍歷

第二次遍歷是修改所有的存活對象的引用

• 修改GC Roots對象的引用，如，根對象1引用對象B，由于對象B的遷移地址是0，因此，根對象1中對對象B的引用就要改為其轉發地址
• 同理，修改其他根對象
• 通過scan指針遍歷堆內存，更新所有的可達對象對其引用對象的引用為其引用對象的遷移地址。比如說，對于可達對象B， 它引用了對象D，D的遷移地址是2，那么B直接將其對D對象的引用重新指向2這個位置。
• 第二次遍歷結束后的對象之間的引用關系。

4. 第三次遍歷

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第三次遍歷則是根據可達對象的遷移地址去移動可達對象，比如說可達對象B，它的遷移地址是0，那么就將其移動到位置0，同時去除可達對象的標記，以便下次垃圾收集。

5. 分代收集算法

根據對象的存活周期的不同將內存劃分為幾塊。一般是把Java堆分為新生代和老年代，這樣就可以根據各個年代的特點采用最適當的收集算法。在新生代中，每次垃圾收集時都發現有大批對象死去，只有少量存活，那就選用復制算法，只需要付出少量存活對象的復制成本就可以完成收集。而老年代中因為對象存活率高、沒有額外空間對它進行分配擔保，就必須使用“標記-清理”或“標記-整理”算法來進行回收。

6.總結

• 前三個算法都是基于根搜索算法去判斷一個對象是否應該被回收，分代收集算法其實就是前三個算法的一個有機結合。
• 在GC線程開啟時， 或者說GC過程開始時候，都要暫停應用程序（stop the world）。

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