JVM系列2：垃圾收集器与内存分配策略

  这里从三个问题来帮你理解jvm的垃圾回收器和内存分配策略：

一.怎么判断哪些内存是垃圾？

1.引用计数法

2.根搜索算法，java采用的

二.什么时候回收？

  一个应用程序中那个线程运行有线程自身的优先级来决定的。垃圾回收线程几乎是所有线程中优先级最低的。

三.如何回收？-垃圾回收算法

1.标记-清理算法

2.复制算法

  我们首先一起来看一下复制算法的做法，复制算法将内存划分为两个区间，在任意时间点，所有动态分配的对象都只能分配在其中一个区间（称为活动区间），而另外一个区间（称为空闲区间）则是空闲的。

  当有效内存空间耗尽时，JVM将暂停程序运行，开启复制算法GC线程。接下来GC线程会将活动区间内的存活对象，全部复制到空闲区间，且严格按照内存地址依次排列，与此同时，GC线程将更新存活对象的内存引用地址指向新的内存地址。

  此时，空闲区间已经与活动区间交换，而垃圾对象现在已经全部留在了原来的活动区间，也就是现在的空闲区间。事实上，在活动区间转换为空间区间的同时，垃圾对象已经被一次性全部回收。

  听起来复杂吗？

  其实一点也不复杂，有了上一章的基础，相信各位理解这个算法不会费太多力气。LZ给各位绘制一幅图来说明问题，如下所示。



  其实这个图依然是上一章的例子，只不过此时内存被复制算法分成了两部分，下面我们看下当复制算法的GC线程处理之后，两个区域会变成什么样子，如下所示。



  可以看到，1和4号对象被清除了，而2、3、5、6号对象则是规则的排列在刚才的空闲区间，也就是现在的活动区间之内。此时左半部分已经变成了空闲区间，不难想象，在下一次GC之后，左边将会再次变成活动区间。

  很明显，复制算法弥补了标记/清除算法中，内存布局混乱的缺点。不过与此同时，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。

3.标记-整理算法

  标记/整理算法与标记/清除算法非常相似，它也是分为两个阶段：标记和整理。下面LZ给各位介绍一下这两个阶段都做了什么。

  标记：它的第一个阶段与标记/清除算法是一模一样的，均是遍历GC Roots，然后将存活的对象标记。

  整理：移动所有存活的对象，且按照内存地址次序依次排列，然后将末端内存地址以后的内存全部回收。因此，第二阶段才称为整理阶段。

  它GC前后的图示与复制算法的图非常相似，只不过没有了活动区间和空闲区间的区别，而过程又与标记/清除算法非常相似，我们来看GC前内存中对象的状态与布局，如下图所示。



  这张图其实与标记/清楚算法一模一样，只是LZ为了方便表示内存规则的连续排列，加了一个矩形表示内存区域。倘若此时GC线程开始工作，那么紧接着开始的就是标记阶段了。此阶段与标记/清除算法的标记阶段是一样一样的，我们看标记阶段过后对象的状态，如下图。



  没什么可解释的，接下来，便应该是整理阶段了。我们来看当整理阶段处理完以后，内存的布局是如何的，如下图。



  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。

  不难看出，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，可谓是一举两得，一箭双雕，一石两鸟，一。。。。一女两男？

  不过任何算法都会有其缺点，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。

4.分代收集算法

  当前的商业虚拟机的垃圾收集都采用“分代收集”算法。这种算法并没有什么新的意思，只是根据对象的存活周期的不同将内存划分为几块。一般是把java堆分为新生代和老生代，这样就可以根据各个年代的特点采用最适合的收集算法。在新生代中，每次垃圾回收时都发现有大批对象死去，只有少量存活，那就选用复制算法，只需要付出少量存活对象的复制成本就可以完成收集。而老生代中因为对象存活率高、没有额外空间对它进行分配担保，就必须使用“标记-清理”或“标记-整理”算法来进行回收。

5.算法对比

  这里LZ给各位总结一下三个算法的共同点以及它们各自的优势劣势，让各位对比一下，想必会更加清晰。

  它们的共同点主要有以下两点。

  1、三个算法都基于根搜索算法去判断一个对象是否应该被回收，而支撑根搜索算法可以正常工作的理论依据，就是语法中变量作用域的相关内容。因此，要想防止内存泄露，最根本的办法就是掌握好变量作用域，而不应该使用前面内存管理杂谈一章中所提到的C/C++式内存管理方式。

  2、在GC线程开启时，它们都要暂停应用程序（stop the world）。

  它们的区别LZ按照下面几点来给各位展示。（>表示前者要优于后者，=表示两者效果一样）

  效率：复制算法>标记/整理算法>标记/清除算法。

  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。

  可以看到标记/清除算法是比较落后的算法了，但是后两种算法却是在此基础上建立的，俗话说“吃水不忘挖井人”，因此各位也莫要忘记了标记/清除这一算法前辈。

  难道就没有一种最优算法吗？

  当然是没有的，这个世界是公平的，任何东西都有两面性，试想一下，你怎么可能找到一个又漂亮又勤快又有钱又通情达理，性格又合适，家境也合适，身高长相等等等等都合适的女人？就算你找到了，至少有一点这个女人也肯定不满足，那就是多半不会恰巧又爱上了与LZ相似的各位苦逼猿友们。你是不是想说你比LZ强太多了，那LZ只想对你说，高富帅是不会爬在电脑前看技术文章的，0.0。

  但是古人就是给力，古人说了，找媳妇不一定要找最好的，而是要找最合适的，听完这句话，瞬间感觉世界美好了许多。

  算法也是一样的，没有最好的算法，只有最合适的算法。

  既然这三种算法都各有缺陷，高人们自然不会容许这种情况发生。因此，高人们提出可以根据对象的不同特性，使用不同的算法处理，类似于萝卜白菜各有所爱的原理。于是奇迹发生了，高人们终于找到了GC算法中的神级算法—–分代搜集算法。