一、概述

垃圾收集Garbage Collection通常被稱為GC，但是GC一般也指Garbage Collecting(垃圾回收這個動作)或Garbage Collector(垃圾回收器)，這些都是是JVM知識體系中非常重要的知識，也是程序員必須要掌握的技能，本文將詳細講述Java垃圾回收的概念機制以及核心算法。

二、分析

1. 什么是垃圾

我們所說的垃圾是指沒有任何引用的一個對象或者多個對象(這多個對象相互引用，但是沒有一個與主對象掛鉤，也就是根可達算法(下文會講)無法找到這其中任何一個對象)。

我們再來來熟悉兩個概念：

(1) 內存泄露：內存泄露是指有的內存地址太過碎片化而無法被利用，我們都知道一個對象創建的時候開辟的內存空間是連續的，所以太過碎片化的內存空間就沒辦法利用。內存泄露多了也會導致內存溢出。

(2) 內存溢出：內存溢出是指內存已經裝滿了，無法再裝下更多的對象了。

C和C++都是需要開發者用代碼手動回收內存的：C語言用free關鍵字來回收內存，C++用的是delete。但是手動回收內存容易出現兩種類型問題：忘記回收(容易引發OOM內存泄露)和多次回收。

后來誕生的java、python等都是自帶了垃圾回收器的語音，開發者只管創建對象，對象的銷毀不需要手動處理，由專門的垃圾回收器進行回收。

2. 如何定位垃圾

常見的方式有兩種：

(1) 引用計數(Reference Count)：每當一塊內存被一個對象引用，那么計數就+1，當沒有對象指向時，計數為0，就表示這塊內存可以被回收了，如下圖：

但是引用計數沒辦法解決垃圾之間互相引用的情況，當幾塊內存都沒有外部引用，但是這幾塊內存之間相互引用的時候，這幾塊內存也應該視為垃圾，但是引用計數卻不為0，如下圖：

(2) 根可達算法(Root Searching)：當程序運行時，將根對象取出，由根對象出發往下查找，最終找不到的對象，都視為無法由根對象找到，也就是說找不到的對象就都視為垃圾。如下圖：

那么哪些對象是根對象呢？主要包含：JVM stack，native method stack，run-time constant pool(運行常量池里的對象)，static references in method area(方法區里的靜態引用)，Clazz等。

3. 常見的垃圾回收算法

主要包含以下3種：

(1) 標記清除(mark sweep)：就是將找到的垃圾標記出來，然后直接清除掉。但是這種方式有一個嚴重的毛病，會使得內存變得碎片化，也就是有多個不連續的內存。

(2) 拷貝算法(copying)：這種方式的做法就是將內存平分成兩塊，在使用的過程中只能在其中一塊內存里創建對象，當需要垃圾回收時，將有對象的內存全部復制到另一邊，并且將當前區域全部清除。這種方式解決了內存碎片化的問題，但是卻浪費了空間，因為每次只能利用一半。

(3) 標記壓縮(mark compact)：這種方式就是在清理垃圾的同時，將同類型的內存空間放置在一起，也就是說在清理的同時進行空間整理，并且多線程時還需要進行線程同步，所以這種方式明顯的缺點就是效率偏低。

常用的垃圾回收算法就是這3種或者這3種方式的組合。

4. JVM內存分代模型（用于分代垃圾回收算法）

JVM的內存模型是由垃圾回收器決定的，一般分為分代模型和不分代模型，兩種內存模型不一樣。分代垃圾回收的內存模型如下圖：

分代模型在邏輯上分代，在物理層面也就是內存中也是分成了new(新生代)和old(老年代)兩個大區域。新生代區又詳細分為eden(伊甸園)、survivor1和survivor2。new(年輕代)的對象有兩大特點：大量產生；大量回收(大多數情況下，一次回收90%的對象)。所以根據new年輕代的特點，采用的算法是Copying算法；而Old老年代則是采用標記壓縮(mark compact)算法，以此保證內存的連續性 。

值得一提的是，new新生代和old老年代的比例默認是1:2。但是這個比例也是JVM調優中可以調節的參數，所以上圖寫的1:3。eden和survivor1，survivor2的默認比例是8:1:1，也是可以調整的。

為了方便對于分區的理解，我們由一個對象的創建到回收進行分析，分區內變化如下：

對象分配過程如下：

過程分析：

(1) 當我們new出一個對象，JVM會首先嘗試往棧上分配，如果能夠分配得下，就分配到棧上分配到棧上的對象有好處就是不需要GC進行管理，什么時候不需要用到此對象了，將對象出棧就可以了。但是分配到棧上的對象是有要求的：第一，對象比較小，因為棧空間本來就不夠大；第二，對象比較簡答。

(2) 如果棧上分配不下，我們就判斷這個對象是不是夠大，如果足夠大就直接放在老年代區，在老年代區的對象經過一次全量垃圾回收FGC后，才有可能被回收掉。

(3) 如果如果棧上分配不下并且對象不大，就會判斷對象能否被存在線程本地分配緩沖區-TLAB(Thread Local Allocation Buffer)。但是不管放不放得下，都是放在新生代區的伊甸區eden。 但是因為堆是共享的，多個線程可以同時創建對象就可能會爭奪同一塊內存區域，所以為了保證線程安全，Eden區又被分配成一個個線程本地分配緩沖區，這個TLAB是線程私有的，每個線程都有自己的TLAB，避免了多線程環境下使用同步技術帶來的性能損耗。

(4) 伊甸區eden的對象在經過一次GC后，如果被回收掉了，那就結束了生命周期。

(5) 伊甸區eden的對象在經過一次GC后，如果沒有被回收掉，JVM在整個new新生代區都采用Copying(拷貝算法)，將不是垃圾的對象拷貝到幸存者區survivor1，對比上面的堆內存邏輯分區圖。幸存者區survivor1中的對象再經過一次GC后如果對象還存活，那么就拷貝到幸存者區survivor2并且清理掉幸存者區survivor1中的所有對象，再有GC就反復這個操作，直到對象的分代年齡達到了移到老年代的界限(一般分代垃圾回收器默認是15，CMS默認是6)，就會被移到老年代中，老年代采用標記壓縮(mark compact)算法，保證內存的連續性 。

5. 常見的垃圾回收器

jdk從1.0到14.0一共誕生了10種垃圾回收器，如下圖：

分類如下：

(1) 分代模型：Serial，Serial Old，Parallel Scavenge，Parallel Old，ParNew，CMS

(2) 不分代模型：G1(雖然物理模型上沒分代，但是邏輯層面上是分代的，jdk1.8及以上的版本建議使用G1，響應時間很快，但是1.8默認是PSPO<Parallel Scavenge和Parallel Old>)，ZGC(Oracle官方支持)，Shenandoah(小紅帽公司開發)

(3) 特殊模型：Epsilon(這種垃圾回收器不回收垃圾，只是跟蹤垃圾的產生和回收，但是這個回收只是動作，其實沒真正回收。Epsilon有兩個用途：<1>用于調試；<2>內存很大，程序很小很快就能運行完成。)

6. 常見垃圾回收器組合參數設定

(1) -XX:+UseSerialGC = Serial New (DefNew) + Serial Old

小型程序默認情況下不會是這種選項，HotSpot會根據計算及配置和JDK版本自動選中收集器。

(2) -XX:+UseParallelGC = Parallel Scavenge + Parallel Old （jdk1.8默認）【PS+Serial Old】

(3) -XX:+UseParallelOldGC = Parallel Scavenge + Parallel Old

我們可以用命令行-XX:+PrintCommandLineFlags查看我們所使用的是哪種垃圾回收器，如下圖：

三、總結

通過本文，我們了解了GC的基礎概念、常用的垃圾回收算法、以及JVM內存分代模型和所有的垃圾回收器的特點，下一文我們將著重講解不同垃圾回收器所采用的底層算法及原理，請期待《我的JVM（二）：十種垃圾回收器所采用的底層算法及原理》。

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的根可达算法的根_我的JVM（六）：GC的基础概念以及GC算法的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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