【深入理解JVM】:垃圾收集算法

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垃圾收集算法主要有以下几种:标记-清除算法(mark-sweep)、复制算法(copying)和标记-整理算法(mark-compact)。

标记-清除算法

算法的执行过程与名字一样,先标记所有需要回收的对象,在标记完成后统一回收所有被标记的对象。该算法有两个问题:

  1. 标记和清除过程效率不高。主要由于垃圾收集器需要从GC Roots根对象中遍历所有可达的对象,并给这些对象加上一个标记,表明此对象在清除的时候被跳过,然后在清除阶段,垃圾收集器会从Java堆中从头到尾进行遍历,如果有对象没有被打上标记,那么这个对象就会被清除。显然遍历的效率是很低的
  2. 会产生很多不连续的空间碎片,所以可能会导致程序运行过程中需要分配较大的对象的时候,无法找到足够的内存而不得不提前出发一次垃圾回收。

标记清除法

复制算法

复制算法是为了解决标记-清除算法的效率问题的,其思想如下:将可用内存的容量分为大小相等的两块,每次只使用其中的一块,当这一块内存使用完了,就把存活着的对象复制到另外一块上面,然后再把已使用过的内存空间清理掉。

  1. 优点:每次都是对整个半区进行内存回收,内存分配时也就不用考虑内存碎片等复杂情况,只要移动堆顶指针,按顺序分配内存即可,实现简单,运行高效。
  2. 缺点:算法的代价是将内存缩小为了原来的一半,未免太高了一点。

复制算法

现在的商业虚拟机都采用这种收集算法来回收新生代,新生代中的对象98%是“朝生夕死”的,所以并不需要按照1∶1的比例来划分内存空间,而是将内存分为一块较大的Eden空间和两块较小的Survivor空间,每次使用Eden和其中一块Survivor。

当回收时,将Eden和Survivor中还存活着的对象一次性地复制到另外一块Survivor空间上,最后清理掉Eden和刚才用过的Survivor空间。HotSpot虚拟机默认Eden和Survivor的大小比例是8∶1,也就是每次新生代中可用内存空间为整个新生代容量的90%,只有10%的内存会被“浪费”。

当然,90%的对象可回收只是一般场景下的数据,我们没有办法保证每次回收都只有不多于10%的对象存活,当Survivor空间不够用时(例如,存活的对象需要的空间大于剩余一块Survivor的空间),需要依赖其他内存(这里指老年代)进行分配担保(Handle Promotion)。

标记-整理算法

复制收集算法在对象存活率较高时就要进行较多的复制操作,效率将会变低。更关键的是,如果不想浪费50%的空间,就需要有额外的空间进行分配担保,以应对被使用的内存中所有对象都100%存活的极端情况,所以在老年代一般不能直接选用这种算法。

与标记-清除算法过程一样,只不过在标记后不是对未标记的内存区域进行清理,二是让所有的存活对象都向一端移动,然后清理掉边界外的内存。该方法主要用于老年代

标记整理法

分代收集算法

目前商用虚拟机都使用“分代收集算法”,所谓分代就是根据对象的生命周期把内存分为几块,一般把Java堆中分为新生代和老年代,这样就可以根据对象的“年龄”选择合适的垃圾回收算法。

  1. 新生代:“朝生夕死”,存活率低,使用复制算法。
  2. 老年代:存活率较高,使用“标记-清除”算法或者“标记-整理”算法。

Hotspot的算法实现

GC Roots与GC停顿

我们回到标记-清除算法,在清除阶段,为了枚举未被标记的对象,所以需要从根节点(GC Roots)开始查找引用链,这个过程会导致GC停顿,意思就是在GC的时候Java的执行线程都被停顿,好像被冻结在某一个时间点,也叫“Stop the world”。然而目前主流的Java虚拟机都是用准确式GC(所谓准确式GC,即使虚拟机知道内存中的某个位置的数据是什么类型),当“Stop the world”的时候并不需要检查所有的引用位置,虚拟机通过使用OopMap这个数据结构知道哪些地方存放着对象的引用。

类加载完成后,HotSpot将对象内什么偏移量上是什么类型的数据计算出来;在JIT编译过程中,在特定的位置记录下栈和寄存器(程序计数器)中哪些位置是引用。

安全点

使用OopMap,虚拟机已经知道哪些位置存放着对象,从而GC Roots可以迅速的枚举可达对象的引用链。但是问题来了:是不是需要对所有的指令都使用OopMap呢?答案是否定的。实际上,虚拟机只在“特定的位置”记录了对象的引用信息,比如我们使用方法调用或者循环的时候,就会设定这样的位置,如果越过这个位置的继续执行指令,然而程序是不允许因为指令流长度太长而执行过长时间,所以这个“特定位置“就成为了程序是否具有长时间运行的分界点。这个”特定的位置“也称为安全点(SafePoint)。

主动式中断线程

现在虚拟机有了安全点,于是只会到安全点寻找对象的引用信息,并且在安全点暂停Java执行线程,然而还有一个问题如何在GC发生时让所有线程(不包括JNI调用的线程)都“跑”到最近的安全点上再停顿下来?

在Hotspot使用主动式中断来中断执行线程,其思想如下:当GC的时候不需要直接对线程操作以中断线程,仅仅是设置一个标志,然后让执行线程去轮询这个标志,发现中断标志为真的时候就自己中断线程。需要注意的是,轮询标志的地方与安全点的位置是重合的,另外再加上创建对象需要分配的地方。

安全区域

现在通过GC Roots和安全点,程序能够在不太长的时间就可以到达安全点,并暂停执行线程。那么如果程序在阻塞(Blocked)或者睡眠(Sleep)的状态的时候,执行线程如何中断呢?

JVM设置了安全区域(Safe Region)。安全区域可以看成是被扩展了的安全点,是指在这个区域内,对象的引用关系不会发生改变,在这个区域内的任何地方开始GC都是安全的。

参考
1、周志明,深入理解Java虚拟机:JVM高级特性与最佳实践,机械工业出版社

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