jvm.垃圾回收原理.docx

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一、 垃圾回收概述
垃圾回收（GarbageCollection，简称GC）是Java虚拟机（JVM）自动内存管理的主要机制，它负责回收不再被使用的对象占用的内存空间，从而避免内存泄漏和内存溢出等问题。在Java程序中，开发者无需手动管理内存的分配与释放，这极大地简化了内存管理的过程，提高了开发效率。垃圾回收的主要目标是在不影响程序性能的前提下，高效地回收无用对象所占用的内存资源。JVM的垃圾回收器通过不同的算法和策略来识别并回收这些无用对象，确保了程序的稳定运行。
垃圾回收的工作原理基于“可达性分析”。在JVM中，每个对象在创建时都会有一个引用计数，当对象的引用被创建时，计数会增加，当引用被移除时，计数会减少。当一个对象的引用计数降到0时，该对象被视为无用对象，可以被垃圾回收器回收。然而，仅仅基于引用计数法存在一些问题，例如循环引用的情况。为了解决这类问题，JVM采用了更加复杂的可达性分析算法，它从一组称为“根集”的对象开始，遍历整个对象图，检查所有对象是否可达，不可达的对象将被回收。
JVM提供了多种垃圾回收算法，包括标记-清除法、标记-整理法和复制算法等。这些算法各有优缺点，适用于不同的场景。标记-清除法通过标记所有可达对象，然后清除未标记的对象，但会产生内存碎片。标记-整理法在标记-清除法的基础上，对内存进行整理，减少了内存碎片问题。复制算法则将内存划分为两个相等的区域，每次只使用其中一个区域，当这个区域填满后，会将其清空并交换到另一个区域，这种方式可以减少内存碎片，但会降低内存的使用效率。选择合适的垃圾回收算法对于提高程序性能至关重要。
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二、 垃圾回收算法
(1)垃圾回收算法是JVM内存管理的重要组成部分，其目的是高效地回收不再被使用的对象所占用的内存空间。其中，标记-清除法是最基础的垃圾回收算法之一。它通过标记所有可达对象，然后清除未标记的对象来实现垃圾回收。例如，在一个包含1000个对象的内存空间中，如果其中800个对象仍然被引用，那么标记-清除法将标记这800个对象，并清除剩下的200个未标记的对象，从而回收这200个对象的内存空间。
(2)标记-整理法是标记-清除法的改进版本，它不仅解决了内存碎片的问题，还提高了垃圾回收的效率。在标记-整理法中，垃圾回收器首先标记所有可达对象，然后移动这些对象到内存的另一端，最后清理掉原来对象占据的空间。这种方法可以减少内存碎片，提高内存的利用率。以一个包含2000个对象的内存空间为例，如果其中有1500个对象不再被引用，使用标记-整理法后，可以将这1500个对象移动到内存的一端，清理掉剩余的500个对象的内存空间，从而优化内存布局。
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(3)复制算法是一种简单高效的垃圾回收算法，它将内存划分为两个相等的区域，每次只使用其中一个区域。当这个区域填满后，垃圾回收器会将存活的对象复制到另一个区域，并清空原来的区域。这种算法可以减少内存碎片，提高内存使用效率。以一个包含3000个对象的内存空间为例，如果其中有2500个对象不再被引用，使用复制算法后，可以将这2500个对象复制到另一个区域，清空原来的区域，从而在内存空间中实现高效的垃圾回收。此外，复制算法在处理大量对象时，其性能表现尤为突出。
三、 引用计数法
(1)引用计数法是一种简单的垃圾回收算法，它通过为每个对象分配一个引用计数器来跟踪对象被引用的次数。每当一个对象被创建时，其引用计数器被初始化为1。当对象被引用时，引用计数器会增加；当引用被移除时，引用计数器会减少。当一个对象的引用计数器降为0时，这意味着没有其他对象引用它，因此可以安全地回收该对象的内存。引用计数法在处理简单对象和基本数据类型时非常有效，因为它可以立即检测到对象何时变为不可达。
(2)尽管引用计数法在某些情况下非常高效，但它存在一些局限性。首先，引用计数法无法处理循环引用的情况。例如，如果一个对象A引用了对象B，而对象B又引用了对象A，那么即使这两个对象不再被其他任何对象引用，它们的引用计数器也不会变为0，因此不会被垃圾回收器回收。这种循环引用问题在处理复杂的数据结构时尤为常见，如双向链表或图形结构。
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(3)另一个限制是，引用计数法可能会引起不必要的内存碎片。由于引用计数法在每次引用变化时都会更新计数器，这可能导致内存分配不连续，从而产生碎片。这种碎片问题可能导致内存利用率下降，尤其是在对象生命周期较短的场景中。为了解决这些问题，一些现代的垃圾回收器结合了引用计数法和其他算法，如标记-清除法或标记-整理法，以提供更全面的垃圾回收解决方案。这些结合算法可以处理循环引用和内存碎片问题，同时保持引用计数法的简单性和效率。
四、 标记-清除法
(1)标记-清除法是一种经典的垃圾回收算法，其核心思想是标记所有可达的对象，然后清除未被标记的对象。在这个过程中，垃圾回收器首先从一组称为“根集”的对象开始，这些根集对象通常包括栈帧中的局部变量、静态变量和常量池中的对象。通过遍历这些根集对象，垃圾回收器能够找到所有可达的对象，并将它们标记为存活状态。
(2)标记阶段完成后，垃圾回收器进入清除阶段。在这个阶段，垃圾回收器会遍历整个堆内存，移除那些未被标记为存活状态的对象。清除操作可能会导致内存碎片化，因为连续的内存空间可能会被不同大小的对象占用，导致无法分配大对象。为了减少内存碎片，一些实现可能会在清除阶段之后进行内存整理，将所有存活的对象移动到内存的一端，并清空未使用的内存空间。
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(3)标记-清除法的一个关键问题是它可能会产生短暂的“暂停”现象，因为垃圾回收器在执行过程中会暂停应用程序的执行。这种暂停通常称为“stop-the-world”，因为它要求JVM停止所有的应用程序线程，以便垃圾回收器可以安全地执行。尽管如此，标记-清除法仍然在许多场景中被使用，尤其是在需要处理大量对象且对垃圾回收暂停时间要求不高的应用中。此外，通过优化算法和并行化垃圾回收，可以减少这种暂停对应用程序性能的影响。
五、 标记-整理法
(1)标记-整理法是标记-清除法的一种改进形式，它旨在解决内存碎片化和减少垃圾回收过程中的暂停时间。这种算法的核心步骤包括两个阶段：标记和整理。在标记阶段，垃圾回收器与标记-清除法类似，通过遍历根集对象来标记所有可达的对象。然而，在标记阶段结束后，标记-整理法引入了一个额外的整理步骤。
(2)整理阶段是标记-整理法的独特之处。在这个阶段，垃圾回收器将所有存活的对象移动到内存的一端，形成一个连续的内存空间。这一步骤的目的是消除内存碎片，使得内存的分配更加连续和高效。通过这种方式，垃圾回收器可以减少内存碎片化，从而降低内存分配的复杂性和时间成本。此外，整理阶段还可以减少因内存碎片导致的内存浪费。
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(3)标记-整理法相较于标记-清除法具有以下优势：首先，由于整理阶段的存在，它可以减少内存碎片，从而提高内存的使用效率。其次，标记-整理法在执行过程中，可以将存活对象移动到内存的一端，这样在垃圾回收过程中就不需要执行内存的清除操作，减少了垃圾回收的暂停时间。最后，由于标记-整理法在内存整理过程中不需要移动大量对象，因此它比标记-清除法具有更高的性能。然而，这种算法也有其局限性，例如，在处理对象生命周期较短或对象数量较少的场景时，其性能优势可能不如其他垃圾回收算法明显。