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垃圾回收算法简介

    垃圾回收GC(GarbageCollection)是Java语言的核心技术之一,垃圾收集的目的在于清除不再使用的对象。

    在研究垃圾回收算法之前,先要弄清楚几个问题:什么是对象?什么是引用?什么是垃圾?

1、对象:对象可以理解为内存中的相应的空间。对象占有并独占这一段空间;
2、引用:引用是对象所占内存空间的地址。简单地说,引用就是你在程序中用类去声明的变量。一个对象可以有多个引用,你也可以把一个引用赋值给另一个引用,但这些都是同一个对象所占内存空间地址的赋值,也就是说:多个引用,只有一个对象。
3、垃圾:对象可以有多个引用,当然也可以没有引用,当一个对象没有引用的时候,这个对象就成了垃圾,也就成为了垃圾回收器的回收对象。

举个例子:ClassA a1 = new ClassA(); ClassA a2 = a1; 在这两句代码中,a1和a2都是引用而不是对象;真正的对象是new ClassA(),它在内存中占用了相应的空间。

 

垃圾收集的算法概述


Java语言规范中并没有明确地说明Java虚拟机要使用哪种垃圾回收算法,但是任何一种垃圾回收算法一般要做2件基本的事情:
(1)发现垃圾对象;
(2)回收垃圾对象。
实际上,现代的垃圾回收算法大多实现了第三个功能:清理内存碎片。碎片是分配给对象的内存块之间的空闲内存片段,而这些内存片段又不足以分配给新生成的对象,从而变成了无法使用的空闲内存。碎片整理能够将所占用的堆内存移到堆的一端,将大量的内存碎片组合成一整块空闲内存空间。
大多数垃圾回收算法使用了根集(root set)这个概念;所谓根集就是正在执行的Java程序可以访问的引用变量的集合(包括局部变量、参数、类变量),程序可以使用引用变量访问对象的属性和调用对象的方法。垃圾回收首先需要确定从根开始哪些对象是可达的和哪些对象是不可达的,从根集可达的对象都是活动对象,它们不能作为垃圾被回收,这也包括从根集间接可达的对象。而根集通过任意路径不可达的对象符合垃圾收集的条件,应该被回收。
    垃圾回收是一个复杂而且耗时的操作。Java虚拟机必须追踪运行程序中有用的对象,而且最终释放没用的对象。这一个过程需要花费处理器的时间。如果JVM花费过多的时间在垃圾回收上,则势必会影响应用的运行性能。一般情况下,当垃圾回收器在进行回收操作的时候,整个应用的执行是被暂时中止(stop-the-world)的。这是因为垃圾回收器需要更新应用中所有对象引用的实际内存地址。

 

垃圾收集的算法介绍


引用计数法(Reference Counting Collector)
    引用计数法是唯一没有使用根集的垃圾回收的法,该算法使用引用计数器来区分存活对象和不再使用的对象。一般来说,堆中的每个对象对应一个引用计数器。当每一次创建一个对象并赋给一个变量时,引用计数器置为1。当对象被赋给任意变量时,引用计数器每次加1当对象出了作用域后(该对象丢弃不再使用),引用计数器减1,一旦引用计数器为0,对象就满足了垃圾收集的条件。
基于引用计数器的垃圾收集器运行较快,不会长时间中断程序执行,适用于必须实时运行的程序。但引用计数器增加了程序执行的开销,因为每次对象赋给新的变量,计数器加1,而每次现有对象出了作用域生,计数器减1。另外引用计数法也有一个致命的缺点,即无法检测出循环引用。如父对象有一个对子对象的引用,子对象反过来引用父对象。这样,他们的引用计数永远不可能为0.

Tracing算法(Tracing Collector)
    Tracing算法是为了解决引用计数法的问题而提出,它使用了根集的概念。基于Tracing算法的垃圾收集器从根集开始扫描,识别出哪些对象可达,哪些对象不可达,并用某种方式标记可达对象,例如对每个可达对象设置一个或多个位。基于tracing算法的垃圾收集也称为标记和清除(mark-and-sweep)垃圾收集器。这种算法一般使用单线程工作并停止其他操作。并且,由于它只是清除了那些未标记的对象,而并没有对标记对象进行压缩,导致会产生大量内存碎片,从而浪费内存。

Compacting算法(Compacting Collector)
    为了解决堆碎片问题,基于tracing的垃圾回收吸收了Compacting算法的思想,在清除的过程中,算法将所有的对象移到堆的一端,堆的另一端就变成了一个相邻的空闲内存区,收集器会对它移动的所有对象的所有引用进行更新,使得这些引用在新的位置能识别原来的对象。在基于Compacting算法的收集器的实现中,一般增加句柄和句柄表。这种算法也停止其他操作。

Copying算法(Coping Collector)
    该算法的提出是为了克服句柄的开销和解决堆碎片的垃圾回收。它开始时把堆分成一个对象区和一个空闲区,程序从对象区为对象分配空间,当对象满了,基于coping算法的垃圾回收就从根集中扫描活动对象,并将每个活动对象复制到空闲区(使得活动对象所占的内存之间没有空闲间隔),这样空闲区变成了对象区,原来的对象区变成了空闲区,程序会在新的对象区中分配内存。
一种典型的基于coping算法的垃圾回收是stop-and-copy算法,它将堆分成对象区和空闲区域区,在对象区与空闲区域的切换过程中,程序暂停执行。

Generation算法(Generational Collector)
    stop-and-copy垃圾收集器的一个缺陷是收集器必须复制所有的活动对象,这增加了程序等待时间,这是coping算法低效的原因。在程序设计中有这样的规律:多数对象存在的时间比较短,少数的存在时间比较长。因此,generation算法将堆分成两个或多个,每个子堆作为对象的一代 (generation)。由于多数对象存在的时间比较短,随着程序丢弃不使用的对象,垃圾收集器将从最年轻的子堆中收集这些对象。在分代式的垃圾收集器运行后,上次运行存活下来的对象移到下一最高代的子堆中,由于老一代的子堆不会经常被回收,因而节省了时间。

Adaptive算法(Adaptive Collector)
    在特定的情况下,一些垃圾收集算法会优于其它算法。基于Adaptive算法的垃圾收集器就是监控当前堆的使用情况,并将选择适当算法的垃圾收集器。

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