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JVM——垃圾回收算法

news 来源：原创 2025/5/14 17:55:51

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垃圾回收算法

评价标准：

标记-清除算法：

复制算法：

标记-整理算法：

分代GC：

arthas查看分代之后的内存情况：

垃圾回收算法

  • java是如何实现垃圾回收的呢？简单来说，垃圾回收要做的有两件事：
  1. 找到内存中存活的对象
  2. 释放不再存活对象的内存，使得程序能再次利用这部分空间。
Java垃圾回收过程会通过单独的GC线程来完成，但是不管使用哪一种GC算法，都会有部分阶段需要停止所有的用户线程。这个过程被称之为Stop The World 简称 STW，如果STW时间过长则会影响用户的使用。
评价标准：
判断GC算法是否优秀，可以从三个方面来考虑：
  1. 吞吐量：
    1. 吞吐量指的是CPU用于执行用户代码的时间与CPU总执行时间的比值，即吞吐量=执行用户代码时间/（执行用户代码时间+GC时间）。吞吐量数值越高，垃圾回收的效率就越高。
  2. 最大暂停时间
    1. 最大暂停时间指的是所有在垃圾回收过程中的STW时间最大值。比如如下的图中，黄色部分的STW就是最大暂停时间，显而易见上面的图比下面的图拥有更少的最大暂停时间。最大暂停时间越短，用户使用系统时收受到的影响就越短。
  1. 堆使用效率
    1. 不同的垃圾回收算法，对堆内存的使用方式是不同的。比如标记清除算法，可以使用完整的堆内存。而复制算法会将堆内存一分为二，每次只能使用一半的内存。从堆使用效率上来说，标记-清除算法要优于复制算法。
上述三种评价标准：堆使用效率、吞吐量，以及最大暂停时间不可兼得。
一般来说，对内存越大，最大暂停时间就会越长。想要减少最大暂停时间，就会降低吞吐量。
标记-清除算法：
【GC算法几人知？】二、标记清除法 全解析-CSDN博客
标记清楚算法的核心思想分为两个阶段：
  1. 标记阶段，将所有存活的对象进行标记。java中使用可达性分析算法，从GC Root开始通过引用链遍历出所有存活对象。
  2. 清除阶段，从内存中删除没有被标记也就是非存活对象。
  • 优点：
    • 实现简单，只需要再第一阶段给每个对象维护标志位，第二阶段删除对象即可。
  • 缺点：
复制算法：
复制算法的核心思想是：
  1. 堆中准备两块空间From空间和To空间，每次在对分配阶段，只能使用其中一块空间（From空间）。
  2. 在垃圾回收GC阶段，将From中存活的对象复制到To空间。
  3. 将两块空间的From和To名字呼唤。
完整的例子：
  1. 将堆内存分割成两块From空间和To空间，对象分配阶段，创建对象。
  2. GC阶段开始，将GCRoot搬运到To空间
  3. 将GCRoot关联的对象，搬运到To空间
  4. 清理From空间，并将名称互换。
优点：
  1. 吞吐量高
    1. 复制算法只需要遍历一次存活对象复制到To空间即可，比标记-整理算法少了一次遍历的过程，因而性能较好，但是不如标记-清除算法，因为标记清除算法不需要进行对象的移动。
  2. 不会发生碎片化
    1. 复制算法在复制之后就会将对象按顺序放入To空间中，所以对象以外的区域都是可用空间，不存在碎片化内存空间。
缺点：
  1. 内存使用效率低
    1. 每次只能让一半的内存空间来为创建对象使用
标记-整理算法：
标记整理算法也叫做标记压缩算法，是对标记清理算法中容易产生内存碎片问题的一种解决方案。
  1. 标记阶段，将所有存活的对象进行标记。java中使用可达性分析算法，从GCRoot开始通过引用链遍历出所有存活的对象。
  2. 整理阶段，将存活对象移动到堆的一端。清理掉存活对象的内存空间。
优点：
  1. 内存使用效率高
    1. 整个堆内存都可以使用，不会像复制算法只能使用半个堆内存
  2. 不会发生碎片化
    1. 在整理阶段可以将对象往内存的一次进行移动，剩下的空间都是可以分配对象的有效空间。
缺点：
  1. 整理阶段的效率不高
    1. 整理算法有很多种，比如Lisp2整理算法需要对整个堆中的对象搜索3次，整体性能不佳。可以通过Two-Finger、表格算法、ImmisGC等高效的整理算法优化此阶段的性能。
分代GC：
现代优秀的垃圾回收算法，会将上述描述的垃圾回收算法组合进行使用，其中应用最广泛的就是分代垃圾回收算法。
分代垃圾回收将整个内存区域划分为年轻代和老年代：
  • 年轻代：（新生代）Young区，存放存活时间比较短的对象
  • 老年代：old区，存放存活时间比较长的对象
arthas查看分代之后的内存情况：
  • 在JDK8中，添加-XX:+UseSerialGC参数使用分代回收的垃圾回收器，运行程序。
  • 在arthas中使用memory命令查看内存，显示出三个区域的内存情况。
分代回收时，创建出来的对象，首先会被放入Eden伊甸园区。
随着对象在Eden去越来越多，如果Eden区满，新创建的对象已经无法放入，就会触发年轻代的GC，称为Minor GC或者Young GC。
Minor GC会把需要eden中和From需要回收的对象回收，把没有回收的对象放入To区。
接下来，S0会变成To区，S1变成From区。当eden区满时再往里放入对象，依然会发生Minor GC。此时会回eden区和S1(from)中的对象，并把eden和from区中剩余的对象放入S0。
注意：每次Minor GC中都会为对象记录他的年龄，初始值为0，每次GC完加1。
如果Minor GC后对象的年龄达到阈值（最大15，默认值和垃圾回收器有关），对象就会被晋升至老年代。
当老年代中空间不足，无法放入新的对象时，先尝试minor gc如果还是不足，就会触发Full GC，Full GC会对整个堆进行垃圾回收。
如果FullGC依然无法回收掉老年代的对象，那么当对象继续放入老年代时，就会抛出Out Memory异常。
问题：下图中的程序为什么会出现OutOfMemory？
从上图可以看到，Full GC 无法回收掉老年代的对象，那么当对象继续放入老年代时，就会抛出Out Of Memory异常。
问题：分代GC算法要把堆分为年轻代和老年代?
  • 系统中的大部分对象，都是创建出来之后很快就不再使用可以被回收，比如用户获取订单数据，订单数据返回给用户之后就可以释放了。
  • 老年代中会存放长期存活的对象，比如Spring的大部分bean对象，在程序启动之后就不会被回收了
  • 在虚拟机的默认设置中，新生代大小要远小于老年代的大小。
问题：分代GC算法将堆分成年轻代和老年代的主要原因有：
  1. 可以通过调整年轻代和老年代的比例老师应不同类型的应用程序，提高内存的利用率和性能。
  2. 新生代和老年代时用不同的垃圾回收算法，新生代一般选择复制算法，老年代可以选择标记-清除和标记-整理算法，由程序员来选择灵活度较高。
  3. 分代的设计中允许只回收新生代，如果能满足对象分配的要求就不需要对整个堆进行回收（full GC），STW时间就会减少。

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编程日记 2025/5/10 6:41:58