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JVM系列(五)

GC一探究竟(二)

1.前言

在上一篇博客中介绍了关于GC的一些对象回收判断以及简单介绍了方法区的回收,但你们有没有想过,内存的垃圾是如何收集的。因此,本文将讲述几种常见的垃圾收集算法。

2. 标记-清除算法

2.1 原理

该算法分为标记,和清除两个过程,其中,标记过程便是使用可达性分析算法,从GC Roots开始遍历,在可达对象中的对象头进行标记。而在清除过程,在堆内存中从头到尾进行线性遍历,清除不可达对象。同时,还需要将存活对象的标记清除掉,以便为下一次GC操作做好准备 。

2.2 优点

对于存活对象多的情况下,可以减少对象的移动(相对于下面的复制算法),提高效率。

2.3 缺点

  • 标记和清除过程,是两个遍历的过程,两次遍历,效率不高
  • 很明显,当我们清除之后,会产生大量的不连续内存,存在过多的不连续内存,会导致在给大对象分配的内存空间的时候,会因为内存不足而频繁的进行GC操作,降低程序效率

3. 复制算法

3.1 原理

复制算法的原理便是把一整块的空间分为两块,每次只使用一块,当一块使用完之后,可将不回收的对象复制到另一块上,然后将旧的一块的内存全部清空。

具体:当有效内存空间耗尽时,JVM将暂停程序运行,开启复制算法GC线程。接下来GC线程会将活动区间内的存活对象,全部复制到空闲区间,且严格按照内存地址依次排列,与此同时,GC线程将更新存活对象的内存引用地址指向新的内存地址。

3.2 优点

  • 对比标记-清除算法,采用复制算法,明显可以减少大量的不连续内存空间。
  • 对比标记-清除算法,可提高效率,不用两次遍历,只需一次遍历,复制完之后,便可以清除旧空间内存。

3.3 缺点

  • 很明显,需要分出一半的空间进行复制用,会损失一半的内存,是典型的空间换时间的实现。
  • 相对于一些存活对象很多的情况下,则需要复制的对象过多,将会降低效率,因此它适用于存活量少的区域回收内存。

3.4 应用举例

堆中的新生代区(后面会讲)中的98%的对象都是”朝生夕死“的,因此特别适合用复制算法回收,而且由于存货量很少,不需要划出一半的内存用做保留区。而是划出一块较大的Eden和两块较小的Survivor空间,在HotSpot中,Eden:Survivor=8:1。

当回收的时候,将Eden和Survivor中的存活对象复制到另一个Survivor中,然后回收掉它们的全部内存,之后那块Survivor就作为保留区用。

但是,这样算下来,堆中新生代的10%内存会被浪费,也即是用来存放每次回收存活对象的内存之后新生代的10%。我们无法保证每次回收都只有不多于10%的对象存活。当Survivor空间不够用的时候,需要依赖其他内存(这里指老年代)进行分配担保,也即不够存放的那些对象将直接通过分配担保机制进入老年代。(分配担保,后面会讲)

4. 标记-整理算法

4.1 原理

标记-整理算法分为标记和整理两个阶段,标记过程就是和标记-清除过程是一致的,而标记之后,后续的步骤并不是直接清理可回收对象,而是让所有存活的对象都向一端移动,然后直接清除掉端边界以外的内存。

4.2整理过程

由标记-整理算法可以很清楚的知道,标记-整理算法的整理过程的工作便是,移动存活对象和更改所有指向被移动对象的指针。

4.1.1 整理顺序

  • 任意顺序:对象的移动方式和它们初始的对象排列和引用关系无关
  • 线性顺序:将具有关联关系的对象排列在一起
  • 滑动顺序:整理之后的对象顺序与原先的不变

现在大多数的垃圾收集算法都是按照任意顺序滑动顺序去实现的。

4.1.2 双指针算法

双指针算法属于任意顺序的整理算法,适用于固定大小对象的区域。

1. 过程原理

需要访问两次堆内存

  • 第一次:将内存尾部的可达对象移动到头部的空闲区域
  • 第二次:修改可达对象的引用,指向引用的新地址
2.第一次遍历

原理:在内存区域的头部有个free指针,尾部有个scan指针,free指针向后遍历,直到找寻到第一个空闲区域(没有标记为可达对象的区域),此时scan指针向前遍历,直到找寻到第一个存活对象,将存活对象移动到free指针下的空闲区域,并且把移动的位置记录在原先的位置上(用于第二次遍历的时候,修改引用)。重复以上操作,直到free指针和scan指针重复。结束第一次遍历。

3. 第二次遍历

第二次的遍历目的在于修改被移动的对象的引用,更新为移动之后的位置。因此需要从GC Roots开始进行遍历,如果发现引用指向的地址指针是在第一次遍历之后的指针后面的,则说明该对象已经被移动,则取出其储存的新位置的指针,修改其引用,重复操作,直到遍历结束。

4.1.3 Lisp 2 整理算法

Lisp2算法是属于滑动顺序的一种,应用更为广泛,对比双指针算法,它可以处理不同大小的对象。它的缺陷在于,需要每个对象头部额外增加一个完整的域(forwardingAddress)来记录转发地址。

1. 过程原理
  • 第一次遍历将所有存活对象的 forwardingAddress 域指向最后要移动到的地址。
  • 第二次遍历将所有指向存活对象的引用都修改为相应对象的 forwardingAddress。
  • 第三次遍历将所有存活对象转移到 forwardingAddress 中。
2. 第一次遍历

  • 设置两个指针在内存区域的头部,分别是free指针和scan指针,free指针指向的区域代表的是后面遍历的第一个存活对象所存储的地址,scan指针用于遍历后面的存活对象。
  • 如图所示,scan指针向后移动,访问到的第一个存活对象是B,因此,需要在B对象记录的转发地址是free指向的地址,即0。此时free需要将指针后移,而后移的距离便是B对象的内存大小,作为下个存活对象的转发地址,接下来便是scan指针继续向后遍历,寻找存活对象。
  • 继续重复过程,直到遍历到内存区域尾部。
3. 第二次遍历

第二次遍历是修改所有的存活对象的引用

  • 修改GC Roots对象的引用,如,根对象1引用对象B,由于对象B的迁移地址是0,因此,根对象1中对对象B的引用就要改为其转发地址
  • 同理,修改其他根对象
  • 通过scan指针遍历堆内存,更新所有的可达对象对其引用对象的引用为其引用对象的迁移地址。比如说,对于可达对象B, 它引用了对象D,D的迁移地址是2,那么B直接将其对D对象的引用重新指向2这个位置。
  • 第二次遍历结束后的对象之间的引用关系。
4. 第三次遍历

第三次遍历则是根据可达对象的迁移地址去移动可达对象,比如说可达对象B,它的迁移地址是0,那么就将其移动到位置0,同时去除可达对象的标记,以便下次垃圾收集。

5. 分代收集算法

根据对象的存活周期的不同将内存划分为几块。一般是把Java堆分为新生代和老年代,这样就可以根据各个年代的特点采用最适当的收集算法。在新生代中,每次垃圾收集时都发现有大批对象死去,只有少量存活,那就选用复制算法,只需要付出少量存活对象的复制成本就可以完成收集。而老年代中因为对象存活率高、没有额外空间对它进行分配担保,就必须使用“标记-清理”或“标记-整理”算法来进行回收。

6.总结

  • 前三个算法都是基于根搜索算法去判断一个对象是否应该被回收,分代收集算法其实就是前三个算法的一个有机结合。
  • 在GC线程开启时, 或者说GC过程开始时候,都要暂停应用程序(stop the world)。
-------------本文结束感谢您的阅读-------------

本文标题:JVM系列(五)

文章作者:AllenYu

发布时间:2019年01月16日 - 19:01

最后更新:2019年01月16日 - 19:01

原始链接:http://yuzeduan.github.io/2019/01/16/JVM系列-五/

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