【愚公系列】2023年11月 大数据教学课程 011-JVM垃圾回收算法

🚀一、垃圾回收

🔎1.垃圾回收相关概念

🦋1.1 C/C++语言的垃圾回收

C/C++语言是非常底层的语言，没有内置的垃圾回收机制，是通过new关键字申请内存资源，通过delete关键字释放内存资源。。这意味着程序员需要手动分配和释放内存，并负责管理程序的堆栈内存和堆内存。

为了确保堆内存的正确释放，程序员必须跟踪所有分配的内存，并在使用完毕后手动释放它们。这是非常困难和容易出错的，因为程序员需要考虑到对象的生命周期和所有可能的退出路径。

如果，程序员在某些位置没有写delete进行释放，那么申请的对象将一直占用内存资源，最终可能会导致内存溢出。

🦋1.2 Java语言的垃圾回收

Java语言的垃圾回收是指Java虚拟机自动管理内存分配和释放的机制。Java虚拟机会周期性地扫描内存中的对象，找到不再被引用的对象并回收它们的内存，避免了手工释放内存的复杂性和风险。

Java垃圾回收的实现采用的是可达性算法。当一个对象没有任何引用指向它时，即成为无用对象。Java虚拟机会通过一连串的引用关系，判断一个对象是否还能被其他对象访问，如果不能，就会将其回收。

Java垃圾回收的优点是可以让程序员专注于业务逻辑，而不需要关心内存的分配与释放。缺点是可能会影响程序的性能，因为垃圾回收需要消耗一定的计算资源。同时，由于Java虚拟机并不知道如何处理本地资源，因此需要手动释放本地资源，避免发生内存泄漏。

🔎2.垃圾回收的常见算法

常见的垃圾回收算法有：引用计数法、标记清除法、标记压缩法、复制算法、分代算法等。

🦋2.1 引用计数法

☀️2.1.1 原理

引用计数法是一种垃圾回收算法，其核心思想是给每个对象添加一个计数器，用于记录当前有多少个引用指向该对象，当引用计数为0时，可以将该对象视为垃圾进行回收。

引用计数法是最早的垃圾回收算法之一，它的实现非常简单，每个对象都有一个引用计数器，当对象被引用时计数器加一，当引用被取消时计数器减一，当计数器为0时，该对象就可以被回收了。引用计数法的优点是实现简单，回收及时，但是它存在循环引用的问题。

循环引用是指两个或多个对象互相引用形成一个闭环的情况，这种情况下，引用计数器的引用计数永远不会为0，导致这些对象无法被垃圾回收器回收，造成内存泄漏的问题。

☀️2.1.2 优缺点

优点：

• 实时性较高，无需等到内存不够的时候，才开始回收，运行时根据对象的计数器是否为0，就可以直接回收。
• 在垃圾回收过程中，应用无需挂起。如果申请内存时，内存不足，则立刻报outofmember 错误。
• 区域性，更新对象的计数器时，只是影响到该对象，不会扫描全部对象。

缺点：

• 每次对象被引用时，都需要去更新计数器，有一点时间开销。
• 浪费CPU资源，即使内存够用，仍然在运行时进行计数器的统计。
• 无法解决循环引用问题。（最大的缺点）

案例：

class TestA{
  public TestB b;
 
}
class TestB{
  public TestA a;
}
public class Main{
    public static void main(String[] args){
        A a = new A();
        B b = new B();
        a.b=b;
        b.a=a;
        a = null;
        b = null;
   }
}

虽然a和b都为null，但是由于a和b存在循环引用，这样a和b永远都不会被回收。

🦋2.2 标记清除法

☀️2.2.1 原理

标记清除法是一种垃圾回收算法，其基本原理是在程序执行时标记所有可以访问的对象，然后清除所有没有被标记的对象，将空间进行回收。

该算法的具体步骤如下：

1. 从根节点开始遍历所有可以访问的对象，并标记它们；
2. 遍历整个堆，将没有被标记的对象清除；
3. 对空闲内存进行合并，形成一块大的空闲内存。

该算法的优点是能够回收所有可以访问的未使用的内存空间，而不会回收正在使用的内存空间。缺点是在执行过程中会暂停程序，因为需要在执行过程中遍历所有可访问的对象。此外，该算法可能会导致内存碎片的问题，因为清除的对象可能不是连续的内存空间。

流程图解：

没有被标记的对象将会回收清除掉，而被标记的对象将会留下，并且会将标记位重新归0。接下来就不用说了，唤醒停止的程序线程，让程序继续运行即可。

☀️2.2.2 优缺点

可以看到，标记清除算法解决了引用计数算法中的循环引用的问题，没有从root节点引用的对象都会被回收。

同样，标记清除算法也是有缺点的：

• 效率较低，标记和清除两个动作都需要遍历所有的对象，并且在GC时，需要停止应用程序，对于交互性要求比较高的应用而言这个体验是非常差的。
• 通过标记清除算法清理出来的内存，碎片化较为严重，因为被回收的对象可能存在于内存的各个角落，所以清理出来的内存是不连贯的。

🦋2.3 标记压缩算法

☀️2.3.1 原理

垃圾回收的标记压缩算法是一种内存回收机制，它主要是为了解决动态内存分配造成的内存碎片问题，以及避免内存泄漏等问题。下面介绍其主要原理：

1. 标记阶段：首先标记所有被引用的对象和内存块，标记的方法有两种，分别是根搜索和追溯搜索。根搜索从系统根开始遍历，找到所有被引用的对象，追溯搜索则是从被引用的对象开始遍历，找到所有被引用的对象。标记完后，会将所有被引用的对象打上标记，也就是将其标记为“活动对象”。
2. 压缩阶段：将所有活动对象向一端移动，并且将空闲的内存块合并，从而避免内存碎片。这里需要记录活动对象的新地址，并将所有指针的值修改为新地址。
3. 清除阶段：删除未被标记的对象（即未被引用的对象），回收它们所占用的内存。这个过程就是垃圾回收的核心，也是内存回收的最终目标。

☀️2.3.2 优缺点

优缺点同标记清除算法，解决了标记清除算法的碎片化的问题，同时，标记压缩算法多了一步，对象移动内存位置的步骤，其效率也有有一定的影响。

🦋2.4 复制算法

☀️2.4.1 原理

复制算法是一种基于空间换时间的垃圾回收算法。其主要思想是将堆空间分为两个部分：From空间和To空间。在程序运行过程中，所有的新生代对象都被分配在From空间中，当From空间被占用到一定程度时，就会触发垃圾回收机制。

回收的过程如下：

1. 垃圾回收器会从根对象出发，扫描From空间中所有可达对象；
2. 扫描过程中，将所有可达对象复制到To空间中，并在From空间中标记已复制的对象；
3. 扫描结束后，将From空间和To空间互换，此时原来的To空间成为新的From空间，原来的From空间成为新的To空间；
4. 清空原来的From空间。

通过复制算法，可以有效避免内存碎片的产生，提高垃圾回收效率。但是它需要两倍的堆空间，并且需要对整个堆空间进行复制操作，因此对于大型对象或存活率较高的情况，复制算法的效率会下降，不适合用来回收老年代对象。

☀️2.4.2 优缺点

优点：

• 在垃圾对象多的情况下，效率较高
• 清理后，内存无碎片

缺点：

• 在垃圾对象少的情况下，不适用，如：老年代内存
• 分配的2块内存空间，在同一个时刻，只能使用一半，内存使用率较低

🦋2.4 分代算法

分代算法是目前主流的垃圾回收算法之一。

分代算法的基本思想是将内存中的对象按照其存活时间分为不同的“代”，然后在垃圾回收时优先考虑清理那些存活时间短的对象，从而减少垃圾回收的时间和工作量。

一般来说，分代算法将内存分为三代：年轻代、中年代和老年代。年轻代是指所有新创建的对象的集合，这些对象通常有较短的生命周期，很快就会被垃圾回收。中年代是指存活时间较长的对象，通常是在年轻代经历了多次垃圾回收后仍然存活的对象，这些对象不太容易被回收。而老年代则是指存活时间最长的对象，这些对象通常是一些单例对象或缓存对象，它们的存活时间非常长，很少被回收。

分代算法中的年轻代通常采用“复制”算法进行垃圾回收。具体来说，年轻代被分为两个等大小的空间，称为“from”空间和“to”空间。在垃圾回收时，所有存活的对象都会被复制到to空间中，而from空间则被清空。年轻代空间的大小一般比较小，所以它的垃圾回收比较频繁，但是回收的效率也比较高。

中年代和老年代通常采用“标记-清除”或“标记-整理”算法进行垃圾回收。在标记-清除算法中，首先标记所有存活的对象，然后清除所有未标记的对象。在标记-整理算法中，标记所有存活的对象，然后将这些对象紧凑排列，清理掉其他的空间。

分代算法其实就是这样的，根据回收对象的特点进行选择，在jvm中，年轻代适合使用复制算法，老年代适合使用标记清除或标记压缩算法。

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