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原创：码农参上（微信公众号 ID：CODER_SANJYOU），欢送分享，转载请保留出处。
提到 Java 中的垃圾回收，我置信很多小伙伴和我一样，第一反馈就是面试必问了，你要是没背过点 GC 算法、收集器什么的常识，出门都不敢说本人背过八股文。说起来还真是有点难堪，工作中理论用到这方面常识的场景真是不多，并且这货色学起来也很干燥，然而奈何面试官就是爱问，咱们能有什么方法呢？
既然曾经卷成了这样，不学也没有方法，Hydra 就义了周末工夫，给大家画了几张动图，心愿通过这几张图，可能帮忙大家对垃圾收集算法有个更好的了解。废话不多说，首先还是从根底问题开始，看看怎么判断一个对象是否应该被回收。
判断对象存活
垃圾回收的基本目标是利用一些算法进行内存的治理，从而无效的利用内存空间，在进行垃圾回收前，须要判断对象的存活状况，在 jvm 中有两种判断对象的存活算法，上面别离进行介绍。
1、援用计数算法
在对象中增加一个援用计数器，每当有一个中央援用它时计数器就加 1，当援用生效时计数器减 1。当计数器为 0 的时候，示意以后对象能够被回收。
这种办法的原理很简略，判断起来也很高效，然而存在两个问题：
- 堆中对象每一次被援用和援用革除时，都须要进行计数器的加减法操作，会带来性能损耗
- 当两个对象互相援用时，计数器永远不会 0。也就是说，即便这两个对象不再被程序应用，依然没有方法被回收，通过上面的例子看一下循环援用时的计数问题：
public void reference(){A a = new A();
B b = new B();
a.instance = b;
b.instance = a;
}援用计数的变动过程如下图所示：
能够看到，在办法执行实现后，栈中的援用被开释，然而留下了两个对象在堆内存中循环援用，导致了两个实例最初的援用计数都不为 0，最终这两个对象的内存将始终得不到开释，也正是因为这一缺点，使援用计数算法并没有被理论利用在 gc 过程中。
2、可达性剖析算法
可达性剖析算法是 jvm 默认应用的寻找垃圾的算法，须要留神的是，尽管说的是 寻找垃圾，但实际上可达性剖析算法寻找的是依然存活的对象。至于这样设计的理由，是因为如果间接寻找没有被援用的垃圾对象，实现起来绝对简单、耗时也会比拟长，反过来标记存活的对象会更加省时。
可达性剖析算法的基本思路就是，以一系列被称为 GC Roots 的对象作为起始点，从这些节点开始向下搜寻，搜寻所走过的门路称为 援用链，当一个对象到 GC Roots 没有任何援用链相连时，证实该对象不再存活，能够作为垃圾被回收。
在 java 中，可作为 GC Roots 的对象有以下几种：
- 在虚拟机栈（栈帧的本地变量表）中援用的对象
- 在办法区中动态属性援用的对象
- 在办法区中常量援用的对象
- 在本地办法栈中 JNI（
native办法）援用的对象 - jvm 外部的援用，如根本数据类型对应的 Class 对象、一些常驻异样对象等，及零碎类加载器
- 被同步锁
synchronized持有的对象援用 - 反映 jvm 外部状况的
JMXBean、JVMTI中注册的回调本地代码缓存等 - 此外还有一些 临时性 的 GC Roots，这是因为垃圾收集大多采纳 分代收集 和部分回收，思考到跨代或跨区域援用的对象时，就须要将这部分关联的对象也增加到 GC Roots 中以确保准确性
其中比拟重要、同时提到的比拟多的还是后面 4 种，其余的简略理解一下即可。在理解了 jvm 是如何寻找垃圾对象之后，咱们来看一看不同的垃圾收集算法的执行过程是怎么的。
垃圾收集算法
1、标记 - 革除算法
标记革除算法是一种十分根底的垃圾收集算法，当堆中的无效内存空间耗尽时，会触发 STW（stop the world），而后分 标记 和革除 两阶段来进行垃圾收集工作：
- 标记：从 GC Roots 的节点开始进行扫描，对所有存活的对象进行标记，将其记录为可达对象
- 革除：对整个堆内存空间进行扫描，如果发现某个对象未被标记为可达对象，那么将其回收
通过上面的图，简略的看一下两阶段的执行过程：
然而这种算法会带来几个问题：
- 在进行 GC 时会产生 STW，进行整个应用程序，造成用户体验较差
- 标记和革除两个阶段的效率都比拟低，标记阶段须要从根汇合进行扫描，革除阶段须要对堆内所有的对象进行遍历
- 仅对非存活的对象进行解决，革除之后会产生大量不间断的内存碎片。导致之后程序在运行时须要调配较大的对象时，无奈找到足够的间断内存，会再触发一次新的垃圾收集动作
此外，jvm 并不是真正的把垃圾对象进行了遍历，把外部的数据都删除了，而是把垃圾对象的首地址和尾地址进行了保留，等到再次分配内存时，间接去地址列表中调配，通过这一措施进步了一些标记革除算法的效率。
2、复制算法
复制算法次要被利用于新生代，它将内存分为大小雷同的两块，每次只应用其中的一块。在任意工夫点，所有动态分配的对象都只能调配在其中一个内存空间，而另外一个内存空间则是闲暇的。复制算法能够分为两步：
- 当其中一块内存的无效内存空间耗尽后，jvm 会进行利用程序运行，开启复制算法的 gc 线程，将还存活的对象复制到另一块闲暇的内存空间。复制后的对象会严格依照内存地址顺次排列，同时 gc 线程会更新存活对象的内存援用地址，指向新的内存地址
- 在复制实现后，再把应用过的空间一次性清理掉，这样就实现了应用的内存空间和闲暇内存空间的对调，使每次的内存回收都是对内存空间的一半进行回收
通过上面的图来看一下复制算法的执行过程：
复制算法的的长处是补救了标记革除算法中，会呈现内存碎片的毛病，然而它也同样存在一些问题：
- 只应用了一半的内存，所以内存的利用率较低，造成了节约
- 如果对象的存活率很高，那么须要将很多对象复制一遍，并且更新它们的利用地址，这一过程破费的工夫会十分的长
从下面的毛病能够看出，如果须要应用复制算法，那么有一个前提就是要求对象的存活率要比拟低才能够，因而，复制算法更多的被用于对象“朝生暮死”产生更多的新生代中。
3、标记 - 整顿算法
标记整顿算法和标记革除算法十分的相似，次要被利用于老年代中。可分为以下两步：
- 标记：和标记革除算法一样，先进行对象的标记，通过 GC Roots 节点扫描存活对象进行标记
- 整顿：将所有存活对象往一端闲暇空间挪动，依照内存地址顺次排序，并更新对应援用的指针，而后清理末端内存地址以外的全副内存空间
标记整顿算法的执行过程如下图所示：
能够看到，标记整顿算法对后面的两种算法进行了改良，肯定水平上补救了它们的毛病：
- 绝对于标记革除算法，补救了呈现内存空间碎片的毛病
- 绝对于复制算法，补救了节约一半内存空间的毛病
然而同样，标记整顿算法也有它的毛病，一方面它要标记所有存活对象，另一方面还增加了对象的挪动操作以及更新援用地址的操作，因而标记整顿算法具备更高的应用老本。
4、分代收集算法
实际上，java 中的垃圾回收器并不是只应用的一种垃圾收集算法，以后大多采纳的都是分代收集算法。jvm 个别依据对象存活周期的不同，将内存分为几块，个别是把堆内存分为新生代和老年代，再依据各个年代的特点抉择最佳的垃圾收集算法。次要思维如下：
- 新生代中，每次收集都会有大量对象死去，所以能够抉择 复制 算法，只须要复制大量对象以及更改援用，就能够实现垃圾收集
- 老年代中，对象存活率比拟高，应用复制算法不能很好的进步性能和效率。另外，没有额定的空间对它进行调配担保，因而抉择 标记革除 或标记整顿 算法进行垃圾收集
通过图来简略看一下各种算法的次要利用区域：
至于为什么在某一区域抉择某种算法，还是和三种算法的特点非亲非故的，再从 3 个维度进行一下比照：
- 执行效率：从算法的工夫复杂度来看，复制算法最优，标记革除次之，标记整顿最低
- 内存利用率：标记整顿算法和标记革除算法较高，复制算法最差
- 内存参差水平：复制算法和标记整顿算法较参差，标记革除算法最差
只管具备很多差别，然而除了都须要进行标记外，还有一个相同点，就是在 gc 线程开始工作时，都须要 STW 暂停所有工作线程。
总结
本文中，咱们先介绍了垃圾收集的根本问题，什么样的对象能够作为垃圾被回收？jvm 中通过可达性剖析算法解决了这一关键问题，并在它的根底上衍生出了多种罕用的垃圾收集算法，不同算法具备各自的优缺点，依据其特点被利用于各个年代。
尽管这篇文章唠唠叨叨了这么多，不过这些都还是根底的常识，如果想要彻底的把握 jvm 中的垃圾收集，后续还有垃圾收集器、内存调配等很多的常识须要了解，不过咱们明天就介绍到这里啦，心愿通过这一篇图解，可能帮忙大家更好的了解垃圾收集算法。
最初，提前祝大家国庆小长假欢快，咱们下篇见~
作者简介，码农参上（CODER_SANJYOU），一个酷爱分享的公众号，乏味、深刻、间接，与你聊聊技术。集体微信 DrHydra9，欢送增加好友，进一步交换。