虚拟机垃圾收集算法

本章节介绍

   垃圾收集算法的实现涉及大量的程序细节，且各个平台的虚拟机操作内存的方法都有差异，在本节中我们暂不过多讨论算法实现，只重点介绍分代收集理论和几种算法思想及其发展过程。

   从如何判定对象消亡的角度出发，垃圾收集算法可以划分为：

• “引用计数式垃圾收集”（Reference Counting GC）
  • 又名“直接垃圾收集”
• “追踪式垃圾收集”（Tracing GC）
  • 又名“间接垃圾收集”。

  由于引用计数式垃圾收集算法在主流Java虚拟机中均未涉及，所以我们暂不把它作为正文主要内容来讲解，本节介绍的所有算法均属于追踪式垃圾收集的范畴。

分代收集理论

强、弱分代假说

  当前商业虚拟机的垃圾收集器，大多数都遵循了“分代收集”（Generational Collection）的理论进行设计，分代收集名为理论，实质是一套符合大多数程序运行实际情况的经验法则</font>，它建立在两个分代假说之上：

• 1）弱分代假说（Weak Generational Hypothesis）
  • 绝大多数对象都是朝生夕灭的。
• 2）强分代假说（Strong Generational Hypothesis）
  • 熬过越多次垃圾收集过程的对象就越难以消亡。

依据两个假说提供了多款垃圾收集器的一致性设计原则

这两个分代假说共同奠定了多款常用的垃圾收集器的一致的设计原则：

• 收集器应该将Java堆划分出不同的区域，然后将回收对象依据其年龄（年龄即对象熬过垃圾收集过程的次数）分配到不同的区域之中存储；
  • 如果一个区域中大多数对象都是朝生夕灭，难以熬过垃圾收集过程的话，那么把它们集中放在一起，每次回收时只关注如何保留少量存活而不是去标记那些大量将要被回收的对象，就能以较低代价回收到大量的空间；
  • 如果剩下的都是难以消亡的对象，那把它们集中放在一块，虚拟机便可以使用较低的频率来回收这个区域，这就同时兼顾了垃圾收集的时间开销和内存的空间有效利用；

依据分代设计原则，产生的效应

  在Java堆划分出不同的区域之后,垃圾收集器才可以每次只回收其中某一个或者某些部分的区域

• 因而才有了“Minor GC”“Major GC”“Full GC”这样的回收类型的划分；
• 也才能够针对不同的区域安排与里面存储对象存亡特征相匹配的垃圾收集算法
  • 因而发展出了“标记-复制算法”“标记-清除算法”“标记-整理算法”等针对性的垃圾收集算法。

分代设计原则在商用虚拟机中的体现

把分代收集理论具体放到现在的商用Java虚拟机里，设计者一般至少会把Java堆划分为

• 新生代（Young Generation）
  • 顾名思义，在新生代中，每次垃圾收集时都发现有大批对象死去，而每次回收后存活的少量对象，将会逐步晋升到老年代中存放。
• 老年代（Old Generation）

跨代引用假说（Intergenerational Reference Hypothesis）

产生背景

  假如要现在进行一次只局限于新生代区域内的收集（Minor GC），但新生代中的对象是完全有可能被老年代所引用的，为了找出该区域中的存活对象，不得不在固定的GC Roots之外，再额外遍历整个老年代中所有对象来确保可达性分析结果的正确性，反过来也是一样。遍历整个老年代所有对象的方案虽然理论上可行，但无疑会为内存回收带来很大的性能负担。

  为了解决这个问题，就需要对分代收集理论添加第三条经验法则：

• 3）跨代引用假说（Intergenerational Reference Hypothesis）
  • 跨代引用相对于同代引用来说仅占极少数。

产生推理

  这其实是可根据前两条假说逻辑推理得出的隐含推论：存在互相引用关系的两个对象，是应该倾向于同时生存或者同时消亡的。

  举个例子，如果某个新生代对象存在跨代引用，由于老年代对象难以消亡，该引用会使得新生代对象在收集时同样得以存活，进而在年龄增长之后晋升到老年代中，这时跨代引用也随即被消除了。

跨代价说提出后的效应

• 依据这条假说，我们就不应再为了少量的跨代引用去扫描整个老年代，也不必浪费空间专门记录每一个对象是否存在及存在哪些跨代引用。
• 只需在新生代上建立一个全局的数据结构（该结构被称为“记忆集”，Remembered Set），这个结构把老年代划分成若干小块，标识出老年代的哪一块内存会存在跨代引用。
• 此后当发生Minor GC时，只有包含了跨代引用的小块内存里的对象才会被加入到GC Roots进行扫描。
• 虽然这种方法需要在对象改变引用关系（如将自己或者某个属性赋值）时维护记录数据的正确性，会增加一些运行时的开销，但比起收集时扫描整个老年代来说仍然是划算的。

知识补充

针对不同分代的名词

• 部分收集（Partial GC）：指目标不是完整收集整个Java堆的垃圾收集，其中又分为：

  • 新生代收集（Minor GC/Young GC）
    • 指目标只是新生代的垃圾收集。
  • 老年代收集（Major GC/Old GC）
    • 指目标只是老年代的垃圾收集。
    • 目前只有CMS收集器会有单独收集老年代的行为。另外请注意“Major GC”这个说法现在有点混淆，在不同资料上常有不同所指，读者需按上下文区分到底是指老年代的收集还是整堆收集。
  • 混合收集（Mixed GC）：指目标是收集整个新生代以及部分老年代的垃圾收集。目前只有G1收集器会有这种行为。

• 整堆收集（Full GC）：收集整个Java堆和方法区的垃圾收集。