根可达算法的根_我的JVM（六）：GC的基础概念以及GC算法

一、概述

垃圾收集Garbage Collection通常被称为GC，但是GC一般也指Garbage Collecting(垃圾回收这个动作)或Garbage Collector(垃圾回收器)，这些都是是JVM知识体系中非常重要的知识，也是程序员必须要掌握的技能，本文将详细讲述Java垃圾回收的概念机制以及核心算法。

二、分析

1. 什么是垃圾

我们所说的垃圾是指没有任何引用的一个对象或者多个对象(这多个对象相互引用，但是没有一个与主对象挂钩，也就是根可达算法(下文会讲)无法找到这其中任何一个对象)。

我们再来来熟悉两个概念：

(1) 内存泄露：内存泄露是指有的内存地址太过碎片化而无法被利用，我们都知道一个对象创建的时候开辟的内存空间是连续的，所以太过碎片化的内存空间就没办法利用。内存泄露多了也会导致内存溢出。

(2) 内存溢出：内存溢出是指内存已经装满了，无法再装下更多的对象了。

C和C++都是需要开发者用代码手动回收内存的：C语言用free关键字来回收内存，C++用的是delete。但是手动回收内存容易出现两种类型问题：忘记回收(容易引发OOM内存泄露)和多次回收。

后来诞生的java、python等都是自带了垃圾回收器的语音，开发者只管创建对象，对象的销毁不需要手动处理，由专门的垃圾回收器进行回收。

2. 如何定位垃圾

常见的方式有两种：

(1) 引用计数(Reference Count)：每当一块内存被一个对象引用，那么计数就+1，当没有对象指向时，计数为0，就表示这块内存可以被回收了，如下图：

但是引用计数没办法解决垃圾之间互相引用的情况，当几块内存都没有外部引用，但是这几块内存之间相互引用的时候，这几块内存也应该视为垃圾，但是引用计数却不为0，如下图：

(2) 根可达算法(Root Searching)：当程序运行时，将根对象取出，由根对象出发往下查找，最终找不到的对象，都视为无法由根对象找到，也就是说找不到的对象就都视为垃圾。如下图：

那么哪些对象是根对象呢？主要包含：JVM stack，native method stack，run-time constant pool(运行常量池里的对象)，static references in method area(方法区里的静态引用)，Clazz等。

3. 常见的垃圾回收算法

主要包含以下3种：

(1) 标记清除(mark sweep)：就是将找到的垃圾标记出来，然后直接清除掉。但是这种方式有一个严重的毛病，会使得内存变得碎片化，也就是有多个不连续的内存。

(2) 拷贝算法(copying)：这种方式的做法就是将内存平分成两块，在使用的过程中只能在其中一块内存里创建对象，当需要垃圾回收时，将有对象的内存全部复制到另一边，并且将当前区域全部清除。这种方式解决了内存碎片化的问题，但是却浪费了空间，因为每次只能利用一半。

(3) 标记压缩(mark compact)：这种方式就是在清理垃圾的同时，将同类型的内存空间放置在一起，也就是说在清理的同时进行空间整理，并且多线程时还需要进行线程同步，所以这种方式明显的缺点就是效率偏低。

常用的垃圾回收算法就是这3种或者这3种方式的组合。

4. JVM内存分代模型（用于分代垃圾回收算法）

JVM的内存模型是由垃圾回收器决定的，一般分为分代模型和不分代模型，两种内存模型不一样。分代垃圾回收的内存模型如下图：

分代模型在逻辑上分代，在物理层面也就是内存中也是分成了new(新生代)和old(老年代)两个大区域。新生代区又详细分为eden(伊甸园)、survivor1和survivor2。new(年轻代)的对象有两大特点：大量产生；大量回收(大多数情况下，一次回收90%的对象)。所以根据new年轻代的特点，采用的算法是Copying算法；而Old老年代则是采用标记压缩(mark compact)算法，以此保证内存的连续性。

值得一提的是，new新生代和old老年代的比例默认是1:2。但是这个比例也是JVM调优中可以调节的参数，所以上图写的1:3。eden和survivor1，survivor2的默认比例是8:1:1，也是可以调整的。

为了方便对于分区的理解，我们由一个对象的创建到回收进行分析，分区内变化如下：

对象分配过程如下：

过程分析：

(1) 当我们new出一个对象，JVM会首先尝试往栈上分配，如果能够分配得下，就分配到栈上分配到栈上的对象有好处就是不需要GC进行管理，什么时候不需要用到此对象了，将对象出栈就可以了。但是分配到栈上的对象是有要求的：第一，对象比较小，因为栈空间本来就不够大；第二，对象比较简答。

(2) 如果栈上分配不下，我们就判断这个对象是不是够大，如果足够大就直接放在老年代区，在老年代区的对象经过一次全量垃圾回收FGC后，才有可能被回收掉。

(3) 如果如果栈上分配不下并且对象不大，就会判断对象能否被存在线程本地分配缓冲区-TLAB(Thread Local Allocation Buffer)。但是不管放不放得下，都是放在新生代区的伊甸区eden。但是因为堆是共享的，多个线程可以同时创建对象就可能会争夺同一块内存区域，所以为了保证线程安全，Eden区又被分配成一个个线程本地分配缓冲区，这个TLAB是线程私有的，每个线程都有自己的TLAB，避免了多线程环境下使用同步技术带来的性能损耗。

(4) 伊甸区eden的对象在经过一次GC后，如果被回收掉了，那就结束了生命周期。

(5) 伊甸区eden的对象在经过一次GC后，如果没有被回收掉，JVM在整个new新生代区都采用Copying(拷贝算法)，将不是垃圾的对象拷贝到幸存者区survivor1，对比上面的堆内存逻辑分区图。幸存者区survivor1中的对象再经过一次GC后如果对象还存活，那么就拷贝到幸存者区survivor2并且清理掉幸存者区survivor1中的所有对象，再有GC就反复这个操作，直到对象的分代年龄达到了移到老年代的界限(一般分代垃圾回收器默认是15，CMS默认是6)，就会被移到老年代中，老年代采用标记压缩(mark compact)算法，保证内存的连续性。

5. 常见的垃圾回收器

jdk从1.0到14.0一共诞生了10种垃圾回收器，如下图：