引言

C和C++ 程序員能夠直接操作內(nèi)存，憑自己的需要來決定何時去申請多大內(nèi)存，何時去釋放這塊內(nèi)存。他們甚至可以使用指針，來確定的去操作某塊內(nèi)存地址。作為后來者的JAVA遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如他們強(qiáng)大，我認(rèn)識的JAVA程序員可能有半數(shù)都從未去關(guān)注過內(nèi)存。在使用JAVA進(jìn)行業(yè)務(wù)開發(fā)時，我們不需要去關(guān)注對象到底存儲在內(nèi)存的哪個位置，也不需要關(guān)注這個對象到底占用了多大的內(nèi)存空間，更不需要特意的為某個對象去釋放內(nèi)存空間。需要我們關(guān)注的，只有如何完成產(chǎn)品需求，在規(guī)定時間內(nèi)交付合格的產(chǎn)品給客戶。如果你對編程的看法跟上面所述的類似，或者你很認(rèn)同“完成比完美更重要”這條工程師信條，那么這篇文章就不太適合你來閱讀了。

內(nèi)存控制給編程界造成了一個具有魔性的圈，圈內(nèi)的人想出去，圈外的人想進(jìn)來。就像C程序員早就受夠了內(nèi)存的申請與釋放的折磨，受夠了各種內(nèi)存錯誤。而很多像你一樣的JAVA程序員，立志要寫出高性能應(yīng)用的人，一直在用心地思索怎么才能寫出性能更好的多線程應(yīng)用，當(dāng)這個追求達(dá)到一定層次的時候，你甚至已經(jīng)開始在乎JAVA垃圾回收所消耗的時間了。由于JAVA自身的限制，我們沒辦法進(jìn)入到內(nèi)存控制的圈內(nèi)，但我們可以通過設(shè)置JVM參數(shù)等方式，選擇適當(dāng)?shù)睦占骰蛟O(shè)置垃圾回收線程對JAVA的垃圾回收機(jī)制進(jìn)行優(yōu)化。

概述

本文的重點(diǎn)是介紹JVM虛擬機(jī)下常用的垃圾回收算法的理論知識，并不介紹具體算法實(shí)現(xiàn)代碼。在閱讀本文之前，希望讀者已經(jīng)掌握了JVM的內(nèi)存劃分設(shè)計、對象引用的可達(dá)性分析算法與JAVA的四種對象引用級別（Strong Reference/Soft Reference/Weak Reference/Phantom Reference）等相關(guān)知識。在本文之后，我還會再去整理一些關(guān)于垃圾收集器等方面的知識。文中所涉及的代碼或理論都已在JDK8中進(jìn)行驗(yàn)證。

垃圾回收算法

標(biāo)記-清除算法（Mark-Sweep）

首先標(biāo)記出所有需要回收的對象，在標(biāo)記完成后統(tǒng)一回收所有被標(biāo)記的對象。

標(biāo)記-清除算法的工作過程如圖1所示。

• 優(yōu)點(diǎn)： 算法簡單清晰，其它垃圾收集算法都是據(jù)此算法的思想并對其不足改進(jìn)而得到的。
• 缺點(diǎn)： 1.效率低，標(biāo)記和清除需要遍歷內(nèi)存，效率極低。2.回收內(nèi)存之后產(chǎn)生大量的內(nèi)存碎片，當(dāng)內(nèi)存碎片過多時，應(yīng)用需要給大對象分配內(nèi)存時無法分配連續(xù)內(nèi)存。

復(fù)制算法（Copying）

將內(nèi)存按容量劃分為完全等大小的兩塊，每次只使用其中一塊內(nèi)存。當(dāng)這一塊內(nèi)存用完后，將還活著的對象全部復(fù)制到另一塊上面，然后把這一塊上已使用的內(nèi)存空間全部清理掉。其示意圖如圖二所示。

• 優(yōu)點(diǎn)： 實(shí)現(xiàn)簡單，運(yùn)行高效。每次都是對整個半?yún)^(qū)進(jìn)行內(nèi)存回收，內(nèi)存分配時無需考慮內(nèi)存碎片等復(fù)雜情況。
• 缺點(diǎn)： 浪費(fèi)內(nèi)存空間。在最壞的情況下，這種垃圾回收算法可能浪費(fèi)了一半的內(nèi)存空間。

在JAVA應(yīng)用中，90%之上的對象的生存時間都極短，所以JVM把內(nèi)存分為一塊較大的Eden空間和兩塊較小的Survivor空間，每次只使用Eden和其中一塊Survior空間。當(dāng)需要進(jìn)行垃圾回收時，將Eden和Survivor中還處于可達(dá)狀態(tài)的對象一次性的復(fù)制到另一塊Survivor空間中，最后清空Eden和剛剛使用的Survivor空間。當(dāng)Survivor空間不夠用時，還會將長時間存活的對象轉(zhuǎn)存的老年代中。在HotSpot虛擬機(jī)中，默認(rèn)的Eden和Survivor空間的比例是8:1，這樣可以做到只浪費(fèi)10%的內(nèi)存。

標(biāo)記-整理算法（Mark-Compact）

標(biāo)記-整理算法的標(biāo)記過程與標(biāo)記-清除算法的標(biāo)記過程類似，但在標(biāo)記完成后并不是直接對可回收的對象進(jìn)行清理，而是讓所有正在存活的對象都向前端移動，然后直接清理掉邊界以外的內(nèi)存。其示意圖見圖3.

• 優(yōu)點(diǎn)： 節(jié)省內(nèi)存空間，提升內(nèi)存運(yùn)用率，且不會產(chǎn)生內(nèi)存碎片。
• 缺點(diǎn)： 性能低。

分代收集算法（Generational Collection）

根據(jù)對象的存活時間把內(nèi)存分為新生代和老年代，根據(jù)個代對象的存活特點(diǎn)，每個代采用不同的垃圾回收算法。

分代收集就是根據(jù)不同代的特性，使用最合適的垃圾回收算法進(jìn)行垃圾回收。如新生代中，每次垃圾收集都會有大量的對象死去，只有極小部分對象存活，所以更適合復(fù)制算法。老年代中對象存活率高，且沒有額外的內(nèi)存空間為它進(jìn)行分配擔(dān)保，所以更適合用標(biāo)記-清除或標(biāo)記-整理算法。

HotSpot算法實(shí)現(xiàn)

枚舉根節(jié)點(diǎn)（GC Roots）

在垃圾回收時，我們要想辦法找出哪些對象是存活的，一般會選取一些被稱為GC Root的對象,從這些對象開始枚舉。在進(jìn)行GC Root枚舉時要求所有對象停下來，也就是JVM所稱的“Stop the world”。所有的算法實(shí)現(xiàn)都會將虛擬機(jī)停下來的，否則分析結(jié)果的準(zhǔn)確性將無法保證。

由于HotSpot采用準(zhǔn)確式GC，該技術(shù)主要功能就是讓虛擬機(jī)可以準(zhǔn)確的知道內(nèi)存中某個位置的數(shù)據(jù)類型是什么，比如某個內(nèi)存位置到底是一個整型的變量，還是對某個對象的 reference。這樣在進(jìn)行 GC Roots 枚舉時，只需要枚舉 reference 類型的即可。在能夠準(zhǔn)確地確定 Java 堆和方法區(qū)等 reference 準(zhǔn)確位置之后，HotSpot 就能極大地縮短 GC Roots 枚舉時間，所以當(dāng)執(zhí)行系統(tǒng)停頓下來之后，虛擬機(jī)不需要遍歷所有的根節(jié)點(diǎn)和上下文去確定GC Roots，而是存在著一個OopMap的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來達(dá)到這個目的。

在類加載完成的時候，虛擬機(jī)就會把什么類的什么偏移上是什么類型的數(shù)據(jù)計算出來。在JIT編譯的時候也會在特定位置記下在寄存器和棧中哪些位置是引用，GC在掃描時就可直接得到信息。

安全點(diǎn)(Safepoint)

Safepoint：會導(dǎo)致 OopMap 內(nèi)容變化的指令非常多，如果為每一條指令都生成對應(yīng)的 OopMap，那么將需要大量的額外空間，這樣對導(dǎo)致 GC 成本很高，所以 HotSpot 只在 “特定位置” 記錄這些信息，這些位置被稱為 安全點(diǎn)(Safepoint)。并非程序在任意時刻都可以停頓下來進(jìn)行 GC，而只有程序到達(dá) 安全點(diǎn)(Safepoint) 以后才可以停頓下來進(jìn)行 GC；所以安全點(diǎn)既不能太少，以至于 GC 過程等待程序到達(dá)安全點(diǎn)的時間過長，也不能太多，以至于 GC 過程帶來的成本過高。

由于在 GC 過程中必須保證程序已執(zhí)行，那么也就是說 必須等待所有線程都到達(dá)安全點(diǎn)上方可進(jìn)行 GC。一般來說有兩種解決方案可以選擇：

• 搶先式中斷：不需要線程的執(zhí)行代碼去主動配合，當(dāng)發(fā)生 GC 時，先強(qiáng)制中斷所有線程，然后如果發(fā)現(xiàn)某些線程未處于安全點(diǎn)，那么將其喚醒，直至其到達(dá)安全點(diǎn)再次將其中斷；這樣一直等待所有線程都在安全點(diǎn)后開始 GC?，F(xiàn)在幾乎沒有虛擬機(jī)使用這種方式。

• 主動式中斷：不強(qiáng)制中斷線程，只是簡單地設(shè)置一個中斷標(biāo)記，各個線程在執(zhí)行時輪詢這個標(biāo)記，一旦發(fā)現(xiàn)標(biāo)記被改變(出現(xiàn)中斷標(biāo)記)時，那么將運(yùn)行到安全點(diǎn)后自己中斷掛起；目前所有商用虛擬機(jī)全部采用主動式中斷。

安全區(qū)(Safe Region)

安全點(diǎn)機(jī)制僅僅是保證了程序執(zhí)行時不需要太長時間就可以進(jìn)入一個安全點(diǎn)進(jìn)行 GC 動作，但是當(dāng)特殊情況時，比如線程休眠、線程阻塞等狀態(tài)的情況下，顯然 JVM 不可能一直等待被阻塞或休眠的線程正常喚醒執(zhí)行，此時就引入了安全區(qū)的概念。

安全區(qū)(Safe Region)：安全區(qū)域是指在一段代碼區(qū)域內(nèi)，對象引用關(guān)系等不會發(fā)生變化，在此區(qū)域內(nèi)任意位置開始 GC 都是安全的。線程運(yùn)行到Safe Region中的代碼時，首先標(biāo)記自己進(jìn)入了安全區(qū)，然后在這段區(qū)域內(nèi)，如果線程發(fā)生了阻塞、休眠等操作，JVM 發(fā)起 GC 時將忽略這些處于安全區(qū)的線程。當(dāng)線程再次被喚醒時，首先他會檢查是否完成了 GC Roots枚舉(或這個GC過程)，然后選擇是否繼續(xù)執(zhí)行，否則將繼續(xù)等待 GC 的完成。

引用

本文是對class文件的學(xué)習(xí)筆記，筆記的內(nèi)容并非是原創(chuàng)，而是大量參考其它資料。在寫作本文的過程中引用了以下資料，為為在此深深謝過以下資料的作者。

1. 《The Java? Virtual Machine Specification · Java SE 8 Edition》
2. 《深入理解Java虛擬機(jī)：JVM高級特性與最佳實(shí)踐/周志明著.——2版.——北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.6》
3. 《Java Platform, Standard Edition HotSpot Virtual Machine Garbage Collection Tuning Guide》

非原創(chuàng)聲明
  >本文并非我的原創(chuàng)文章，而是我學(xué)習(xí)jvm時的筆記。文中的材料與數(shù)據(jù)大部分來自于其它資料，詳細(xì)請查看本文的引用章節(jié)。

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