Java GC垃圾回收算法分析

对象探活

在讨论回收算法前，更为重要的问题是如何判断一个对象是否可以被回收？

引用计数算法

每个对象会维护一个count，当有一个对象的属性引用自己时，count自增。当为0时，意味可被回收。

缺点：

• 需要频繁执行维护count的操作
• 无法解决循环依赖问题。比如下图中的D与E节点，已经没有其他对象的内部在引用时，应该被判定为可回收对象。但是由于双方相互引用，形成了循环依赖，无法被回收。

可达性分析（目前主流虚拟机垃圾回收器采取的算法）：

将符合的GC Roots作为初始的存活对集合，以该集合中的Roots为起点，探索所有能够被Roots引用到的对象，并加入到Roots集合中，这个过程称之为标记。未被探索到的对象即是可回收对象（死亡的）。

优点：可以解决引用计数算法的循环依赖问题。从GC Roots出发，无法探测到循环依赖的对象，那么就会进行回收。

那么什么样的对象可以被作为Root对象（包括但不限于）

• 局部变量表中的对象引用
• 已被加载的静态属性引用的对象
• 常量对象引用

强-软-弱-虚引用

有些时候，我们有这样一种需求，当内存足够时，会保留一些对象，方便后续调用。当内存不足时，将这些对象回收，留出更多的内存空间。系统的很多缓存功能符合上述条件。

// 强引用：只要引用可达，就永远不会被回收
Object obj = new Object();
// 软引用：堆内存不够时被回收
SoftReference<Object> softReference = new SoftReference<>(obj);
// 弱引用：只要触发GC就会被回收
WeakReference<Object> weakReference = new WeakReference<>(obj);
/**
 * 虚引用：虚引用不会决定对象的生命周期，如果一个对象持有虚引用，那么和没有引用一样，get永远返回null。
 *
 * 需要配合引用队列使用，当垃圾回收器准备回收一个虚引用时，会将其加入到引用队列中。
 *
 * 程序可以根据虚引用是否入队，来了解对象是否即将被垃圾回收，进而执行一些响应操作。
 */
Object obj2 = new Object();
ReferenceQueue<Object> referenceQueue = new ReferenceQueue<>();
PhantomReference<Object> phantomReference = new PhantomReference<>(obj2, referenceQueue);
System.out.println(phantomReference.isEnqueued()); // false
obj2 = null;
System.gc();
Thread.sleep(500);
System.out.println(phantomReference.isEnqueued()); // true

标记清除

• 根据可达性分析，标记可以回收的对象
• 将被标记的可回收对象进行回收

内存碎片问题：造成了不连续的内存碎片。当有大对象需要存储时，若连续的碎片空间存储不下， 难免会再次触发垃圾回收的操作。

标记复制

• 保留一半的空间，每次只使用一半的空间。
• 每次GC，根据可达性分析，将存活对象复制到另一片空间。
• 释放本次使用一半空间。

优点：

• 只需针对一半的空间进行回收。
• 避免了内存碎片问题。
• 只需要按顺序分配内存空间即可，实现简单。

缺点：

• 可使用的内存空间缩减了一半。
• 执行时需要STW，导致挂起执行的用户线程

标记整理

标记清除的改进

• 根据可达性分析，对可以回收的对象进行标记
• 将未被标记的存活对象移动到另一端，然后直接清理掉端边界以外的内存

优点：解决了标记清除的内存碎片问题

缺点：

• 相比标记清除的直接释放，需要更多的时间来完成整理部分的操作
• 执行时需要STW，导致挂起执行的用户线程

回收算法的在堆内存上的应用

新生代

根据新生代的特点，对象存活率较低，应用标记复制算法。分配内存空间时，使用Eden区与一块Survivor区，GC后将存活的对象放入到另一块Survivor区。如果另一块Survivor区不够存放存活对象，多数情况下会使用老年代进行分配担保（分配担保：将无法存储的存活对象放入其他存储空间）

循环：

Eden + S0 -> S1 （将Eden 与 S0存活的对象复制到S1）

Eden + S1 -> S0

Eden + S0 -> S1

老年代

根据老年代的特点，对象存活率较高，一般用标记-清除，标记-整理算法。