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[Java教程]轻松学JVM(四)垃圾回收算法

    我们都知道java语言与C语言最大的区别就是内存自动回收,那么JVM是怎么控制内存回收的,这篇文章将介绍JVM垃圾回收的几种算法,从而了解内存回收的基本原理。

stop the world

    在介绍垃圾回收算法之前,我们需要先了解一个词“stop the world”,stop the world会在执行某一个垃圾回收算法的时候产生,JVM为了执行垃圾回收,会暂时java应用程序的执行,等垃圾回收完成后,再继续运行。如果你使用JMeter测试过java程序,你可能会发现在测试过程中,java程序有不规则的停顿现象,其实这就是“stop the world”,停顿的时候JVM是在做垃圾回收。所以尽可能减少stop the world的时间,就是我们优化JVM的主要目标。接下来我们看一下目前有哪些常见垃圾回收的算法。

引用计数法

引用计数法顾名思义,就是对一个对象被引用的次数进行计数,当增加一个引用计数就加1,减少一个引用计数就减1。

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上图表示3个Teacher的引用指向堆中的Teacher对象,那么Teacher对象的引用计数就是3,以此类推Student对象的引用计数就是2。

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上图表示Teacher对象的引用减少为2,Student对象的引用减少为0(减少的原因是该引用指向了null,例如teacher3=null),按照引用计数算法,Student对象的内存空间将被回收掉。

引用计数算法原理非常简单,是最原始的回收算法,但是java中没有使用这种算法,原因有2。1是频繁的计数影响性能,2是它无法处理循环引用的问题。

例如Teacher对象中引用了Student对象,Student对象中又引用了Teacher对象,这种情况下,对象将永远无法被回收。

标记清除

标记清除算法,它是很多垃圾回收算法的基础,简单来说有两个步骤:标记、清除。

标记:遍历所有的GC Roots,并将从GC Roots可达的对象设置为存活对象;

清除:遍历堆中的所有对象,将没有被标记可达的对象清除;

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注意上图灰色的对象,因为从GC Root遍历不到它们(尽管它们本身有引用关系,但从GC Root无法遍历到它们),因此它们没有被标记为存活对象,在清除过程中将会被回收。

这里需要注意的是标记清除算法执行过程中,会产生“stop the world”,让java程序暂停等待以保证在标记清除的过程中,不会有新的对象产生。为什么必须暂停java程序呢?举个例子,如果在标记过程完成后,又新产生了一个对象,而该对象已经错过了标记期,那么在接下来的清除流程中,这个新产生的对象因为未被标记,所以将被视为不可达对象而被清除,这样程序就会出错,因此标记清除算法在执行时,java程序将被暂停,产生“stop the world”。

接下来我们总结一下标记清除算法:

1、因为涉及大量的内存遍历工作,所以执行性能较低,这也会导致“stop the world”时间较长,java程序吞吐量降低;

2、我们注意到对象被清除之后,被清除的对象留下内存的空缺位置,造成内存不连续,空间浪费。

接下来我们看一下其他算法能不能改善这些问题?

标记压缩

标记压缩算法你可能已经想到了,它就是在标记清除算法的基础上,增加了压缩过程。

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在进行完标记清除之后,对内存空间进行压缩,节省内存空间,解决了标记清除算法内存不连续的问题。

注意标记压缩算法也会产生“stop the world”,不能和java程序并发执行。在压缩过程中一些对象内存地址会发生改变,java程序只能等待压缩完成后才能继续。

复制算法

    复制算法简单来说就是把内存一分为二,但只使用其中一份,在垃圾回收时,将正在使用的那份内存中存活的对象复制到另一份空白的内存中,最后将正在使用的内存空间的对象清除,完成垃圾回收。

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    复制算法相对标记压缩算法来说更简洁高效,但它的缺点也显而易见,它不适合用于存活对象多的情况,因为那样需要复制的对象很多,复制性能较差,所以复制算法往往用于内存空间中新生代的垃圾回收,因为新生代中存活对象较少,复制成本较低。它另外一个缺点是内存空间占用成本高,因为它基于两份内存空间做对象复制,在非垃圾回收的周期内只用到了一份内存空间,内存利用率较低。

小结

    以上我们介绍了常见的垃圾回收算法,这些算法各有各的优缺点,但在JVM中并不是单纯的使用特定的算法,而是使用的一种叫垃圾回收器的东西,垃圾回收器可以看做一系列算法的不同组合,在不同的场景使用合适的垃圾回收器,才能起到事半功倍的效果。我们下一篇将介绍垃圾回收器。

 

参考资料:

《实战Java虚拟机》 葛一鸣

《深入理解Java虚拟机(第2版)》 周志明