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本文主要介紹4種垃圾收集算法及8種垃圾收集器：

垃圾收集算法

1、標(biāo)記-清除算法（Mark-Sweep）

“標(biāo)記-清除”算法是最基礎(chǔ)的算法，分為“標(biāo)記”和“清除”兩個(gè)階段：首先標(biāo)記出所有需要回收的對(duì)象，在標(biāo)記完成后統(tǒng)一回收掉所有被標(biāo)記的對(duì)象。它主要由兩個(gè)缺點(diǎn)：一個(gè)是效率問(wèn)題，標(biāo)記和清除過(guò)程的效率都不高；另一個(gè)是空間問(wèn)題，標(biāo)記清除之后會(huì)產(chǎn)生大量不連續(xù)的內(nèi)存碎片，空間碎片太多可能會(huì)導(dǎo)致當(dāng)程序在以后的運(yùn)行過(guò)程中需要分配較大對(duì)象時(shí)無(wú)法找到足夠的連續(xù)內(nèi)存而不得不提前觸發(fā)另一次垃圾收集動(dòng)作。

2、復(fù)制算法（Copying）（針對(duì)新生代）

? ? ? 為了解決標(biāo)記清除算法的效率問(wèn)題，出現(xiàn)了復(fù)制算法，它將可用內(nèi)存按容量劃分為大小相等的兩塊，每次使用其中的一塊。當(dāng)這塊的內(nèi)存用完了，就將還存活著的對(duì)象復(fù)制到另一塊上面，然后再把已使用過(guò)的內(nèi)存空間一次清理掉。優(yōu)點(diǎn)是每次都是對(duì)其中的一塊進(jìn)行內(nèi)存回收，內(nèi)存分配時(shí)就不用考慮內(nèi)存碎片等復(fù)雜情況，只要移動(dòng)堆頂指針，按順序分配內(nèi)存即可，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，運(yùn)行高效。缺點(diǎn)是將內(nèi)存縮小為原來(lái)的一半，代價(jià)太高了一點(diǎn)。

????????現(xiàn)在的商業(yè)虛擬機(jī)都采用復(fù)制收集算法來(lái)回收新生代，有研究表明，新生代中的對(duì)象98%是朝生夕死的，所以并不需要按照1:1的比例來(lái)劃分內(nèi)存空間，而是將內(nèi)存分為一塊較大的Eden空間和兩塊較小的Survivor空間，每次使用Eden和其中的一塊Survivor。當(dāng)回收時(shí)，將Eden和Survivor中還存活著的對(duì)象一次性地拷貝到另外一塊Survivor空間上，最后清理掉Eden和剛才用過(guò)的Survivor空間。HotSpot虛擬機(jī)默認(rèn)Eden和Survivor的大小比例是8:1，也就是每次新生代中可用內(nèi)存空間為整個(gè)新生代容量的90%（80%+10%），只有10%的內(nèi)存是會(huì)被“浪費(fèi)”的。當(dāng)然，并不能保證每次回收都只有10%的對(duì)象存活，當(dāng)Survivor空間不夠用時(shí)，需要依賴其他內(nèi)存（這里指老年代）進(jìn)行分配擔(dān)保（Handle Promotion）。即如果另外一塊Survivor空間沒(méi)有足夠的空間存放上一次新生代收集下來(lái)的存活對(duì)象，這些對(duì)象將直接通過(guò)分配擔(dān)保機(jī)制進(jìn)入老年代。

3、標(biāo)記-整理算法（Mark-Compact）（針對(duì)老年代）

? ? ? 復(fù)制收集算法在對(duì)象存活率較高時(shí)就需要執(zhí)行較多的復(fù)制操作，效率將會(huì)變低。更關(guān)鍵的是，如果不想浪費(fèi)50%的空間，就需要有額外的空間進(jìn)行分配擔(dān)保，以應(yīng)對(duì)被使用的內(nèi)存中所有對(duì)象都100%存活的極端情況，所以在老年代一般不能直接選用復(fù)制收集算法。

? ? ?根據(jù)老年代的特點(diǎn)提出了“標(biāo)記-整理”算法，標(biāo)記過(guò)程仍然與“標(biāo)記-清除”算法一樣，但后續(xù)步驟不是直接對(duì)可回收對(duì)象進(jìn)行清理，而是讓所有存活的對(duì)象都向一端移動(dòng)，然后直接清理掉端邊界以外的內(nèi)存。

?標(biāo)記-整理的步驟：

標(biāo)記階段

整理階段：移動(dòng)存活對(duì)象，同時(shí)更新存活對(duì)象中所有指向被移動(dòng)對(duì)象的指針

整理的順序

?? ?不同算法中，堆遍歷的次數(shù)，整理的順序，對(duì)象的遷移方式都有所不同。而整理順序又會(huì)影響到程序的局部性。主要有以下3種順序：?

?? ? 1. 任意順序：對(duì)象的移動(dòng)方式和它們初始的對(duì)象排列及引用關(guān)系無(wú)關(guān)?

?? ? ? 任意順序整理實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，且執(zhí)行速度快，但任意順序可能會(huì)將原本相鄰的對(duì)象打亂到不同的高速緩存行或者是虛擬內(nèi)存頁(yè)中，會(huì)降低賦值器的局部性。任意順序算法只能處理單一大小的對(duì)象，或者針對(duì)大小不同的對(duì)象需要分批處理；

?? ? 2. 線性順序：將具有關(guān)聯(lián)關(guān)系的對(duì)象排列在一起?

?? ? 3. 滑動(dòng)順序：將對(duì)象“滑動(dòng)”到堆的一端，從而“擠出”垃圾，可以保持對(duì)象在堆中原有的順序?

?? ?所有現(xiàn)代的標(biāo)記-整理回收器均使用滑動(dòng)整理，它不會(huì)改變對(duì)象的相對(duì)順序，也就不會(huì)影響賦值器的空間局部性。復(fù)制式回收器甚至可以通過(guò)改變對(duì)象布局的方式，將對(duì)象與其父節(jié)點(diǎn)或者兄弟節(jié)點(diǎn)排列的更近以提高賦值器的空間局部性。???

整理算法的限制，如整理過(guò)程需要2次或者3次遍歷堆空間；對(duì)象頭部可能需要一個(gè)額外的槽來(lái)保存遷移的信息。

部分整理算法：

雙指針回收算法：實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單且速度快，但會(huì)打亂對(duì)象的原有布局

Lisp2算法（滑動(dòng)回收算法）：需要在對(duì)象頭用一個(gè)額外的槽來(lái)保存遷移完的地址

引線整理算法：可以在不引入額外空間開銷的情況下實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)整理，但需要2次遍歷堆，且遍歷成本較高

單次遍歷算法：滑動(dòng)回收，實(shí)時(shí)計(jì)算出對(duì)象的轉(zhuǎn)發(fā)地址而不需要額外的開銷

4、分代收集算法（Generational Collection）

? ? ? 當(dāng)前商業(yè)虛擬機(jī)的垃圾收集都采用“分代收集”算法，這種算法并無(wú)新的方法，只是根據(jù)對(duì)象的存活周期的不同將內(nèi)存劃分為幾塊，一般是把Java堆分為新生代和老年代，這樣就可以根據(jù)各個(gè)年代的特點(diǎn)采用最適當(dāng)?shù)氖占惴āＴ谛律?，每次垃圾收集時(shí)都發(fā)現(xiàn)有大批對(duì)象死去，只有少量存活，那就選用復(fù)制算法，只需要付出少量存活對(duì)象的復(fù)制成本就可以完成收集。而老年代中因?yàn)閷?duì)象存活率高、沒(méi)有額外空間對(duì)它進(jìn)行分配擔(dān)保，就必須使用“標(biāo)記-清理”或“標(biāo)記-整理”算法來(lái)進(jìn)行回收。

垃圾收集器

如果說(shuō)收集算法是內(nèi)存回收的方法論，垃圾收集器就是內(nèi)存回收的具體實(shí)現(xiàn)。下圖展示了7種不同分代的收集器，如果兩個(gè)收集器之間存在連線，就說(shuō)明他們可以搭配使用。并沒(méi)有最好的收集器這一說(shuō)，我們需要選擇的是對(duì)具體應(yīng)用最合適的收集器。

1、Serial收集器（用于新生代）

單線程，在進(jìn)行垃圾收集時(shí)必須暫停其他所有的工作線程（"Stop the World"）。虛擬機(jī)運(yùn)行在Client模式下的默認(rèn)新生代收集器。簡(jiǎn)單而高效（與其他收集器的單線程比），對(duì)于限定單個(gè)CPU的環(huán)境來(lái)說(shuō)，Serial收集器由于沒(méi)有線程交互的開銷，專心做垃圾收集自然可以獲得最高的單線程效率。

2、ParNew收集器（新生代）

ParNew收集器其實(shí)是Serial收集器的多線程版本，它是許多運(yùn)行在Server模式下的虛擬機(jī)中首選的新生代收集器，因?yàn)槌薙erial收集器外，目前只有它能與CMS收集器配合工作。

3、Parallel Scavenge收集器（“吞吐量?jī)?yōu)先”收集器）（新生代）

????????使用復(fù)制算法，并行多線程，這些特點(diǎn)與ParNew一樣，它的獨(dú)特之處是它的關(guān)注點(diǎn)與其他收集器不同，CMS等收集器的關(guān)注點(diǎn)是盡可能縮短垃圾收集時(shí)用戶線程的停頓時(shí)間，而Parallel Scavenge收集器的目的則是達(dá)到一個(gè)可控制的吞吐量（Throughput）,即CPU用于運(yùn)行用戶代碼的時(shí)間與CPU總消耗時(shí)間的比值，吞吐量=運(yùn)行用戶代碼時(shí)間 /（運(yùn)行用戶代碼時(shí)間+垃圾收集時(shí)間），虛擬機(jī)總共運(yùn)行了100分鐘，其中垃圾收集花掉1分鐘，吞吐量就是99%。

???????停頓時(shí)間越短對(duì)于需要與用戶交互的程序來(lái)說(shuō)越好，良好的響應(yīng)速度能提升用戶的體驗(yàn)；

????? ?高吞吐量可以最高效率地利用CPU時(shí)間，盡快地完成程序的運(yùn)算任務(wù)，主要適合在后臺(tái)運(yùn)算而不太需要太多交互的任務(wù)。

參數(shù)設(shè)置：

-XX:MaxGCPauseMillis 控制最大垃圾收集停頓時(shí)間。（大于0的毫秒數(shù)）停頓時(shí)間縮短是以犧牲吞吐量和新生代空間換取的。（新生代調(diào)的小，吞吐量跟著小，垃圾收集時(shí)間就短，停頓就?。?。

-XX:GCTimeRatio 直接設(shè)置吞吐量大小，0<x<100 的整數(shù)，允許的最大GC時(shí)間=1/(1+x)。

-XX:+UseAdaptiveSizePolicy ?一個(gè)開關(guān)參數(shù)，開啟GC自適應(yīng)調(diào)節(jié)策略（GC Ergonomics）,將內(nèi)存管理的調(diào)優(yōu)任務(wù)（新生代大小-Xmn、Eden與Survivor區(qū)的比例-XX:SurvivorRatio、晉升老年代對(duì)象年齡-XX: PretenureSizeThreshold 、等細(xì)節(jié)參數(shù)）交給虛擬機(jī)完成。這是Parallel Scavenge收集器與ParNew收集器的一個(gè)重要區(qū)別，另一個(gè)是吞吐量。

4、Serial Old收集器（老年代）

它是Serial收集器的老年代版本，單線程，使用“標(biāo)記-整理”算法。主要意義是被Client模式下的虛擬機(jī)使用。如果在Server模式下，它還有兩大用途：在JDK1.5及之前的版本中與Parallel Scavenge收集器搭配使用；作為CMS 收集器的后備預(yù)案，在并發(fā)收集發(fā)生Concurrent Mode Failure的時(shí)候使用。運(yùn)行過(guò)程同Serial收集器。

5、Parallel Old收集器（老年代）

它是Parallel Scavenge收集器的老年代版本，多線程，使用“標(biāo)記-整理”算法。在注重吞吐量及CPU資源敏感的場(chǎng)合，都可以優(yōu)先考慮Parallel Scavenge+Parallel Old收集器。工作過(guò)程如下：

6、CMS收集器（Concurrent Mark Sweep）

它是一種以獲取最短回收停頓時(shí)間為目標(biāo)的收集器。優(yōu)點(diǎn)：并發(fā)收集，低停頓?；凇皹?biāo)記-清除”算法。目前很大一部分Java應(yīng)用都集中在互聯(lián)網(wǎng)站或B/S系統(tǒng)的服務(wù)端上，這類應(yīng)用尤其重視服務(wù)的響應(yīng)速度，希望系統(tǒng)停頓時(shí)間最短，以給用戶帶來(lái)較好的體驗(yàn)，CMS收集器就非常符合這類應(yīng)用的需求。運(yùn)作過(guò)程較復(fù)雜，分為4個(gè)步驟：

初始標(biāo)記（CMS initial mark）:需要“Stop The World”，標(biāo)記GC Roots能直接關(guān)聯(lián)到的對(duì)象，速度快。

并發(fā)標(biāo)記（CMS concurrent mark）：進(jìn)行GC Roots Tracing 過(guò)程

重新標(biāo)記（CMS remark）：需要“Stop The World”,修正并發(fā)標(biāo)記期間，因用戶程序繼續(xù)運(yùn)行而導(dǎo)致標(biāo)記產(chǎn)生變動(dòng)的那一部分對(duì)象的標(biāo)記記錄。停頓時(shí)間：初始標(biāo)記<重新標(biāo)記<<并發(fā)標(biāo)記

并發(fā)清除（CMS concurrent sweep）：時(shí)間較長(zhǎng)。

缺點(diǎn)：

對(duì)CPU資源非常敏感，面向并發(fā)設(shè)計(jì)的程序都會(huì)對(duì)CPU資源較敏感。CMS默認(rèn)的回收線程數(shù):?（CPU數(shù)量+3）/4

無(wú)法處理浮動(dòng)垃圾，可能出現(xiàn)“Concurrent Mode Failure”失敗而導(dǎo)致另一次Full GC的產(chǎn)生。并發(fā)清理階段用戶程序運(yùn)行產(chǎn)生的垃圾過(guò)了標(biāo)記階段所以無(wú)法在本次收集中清理掉，稱為浮動(dòng)垃圾。CMS收集器默認(rèn)在老年代使用了68%的空間后被激活。若老年代增長(zhǎng)的不是很快，可以適當(dāng)調(diào)高參數(shù)-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction? 提高觸發(fā)百分比，但調(diào)得太高會(huì)容易導(dǎo)致“Concurrent Mode Failure”失敗。

基于“標(biāo)記-清除”算法會(huì)產(chǎn)生大量空間碎片。提供開關(guān)參數(shù)-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection?用于在“ 享受”完Full GC服務(wù)之后進(jìn)行碎片整理過(guò)程，內(nèi)存整理的過(guò)程是無(wú)法并發(fā)的。但是停頓時(shí)間會(huì)變長(zhǎng)。

-XX:CMSFullGCsBeforeCompation 設(shè)置在執(zhí)行多少次不壓縮的Full GC后，跟來(lái)來(lái)一次帶壓縮的。

7、G1收集器（Garbage First）

它是當(dāng)前收集器技術(shù)發(fā)展的最前沿成果。與CMS相比有兩個(gè)顯著改進(jìn)：

基于“標(biāo)記-整理”算法實(shí)現(xiàn)收集器

非常精確地控制停頓

G1收集器可以在幾乎不犧牲吞吐量的前提下完成低停頓的內(nèi)存回收，這是由于它能夠極力避免全區(qū)域的垃圾收集，之前的收集器進(jìn)行收集的范圍都是整個(gè)新生代或老年代，而G1將整個(gè)Java堆（包括新生代、老年代）劃分為多個(gè)大小固定的獨(dú)立區(qū)域（Region），并且跟蹤這些區(qū)域里面的垃圾堆積程度，在后臺(tái)維護(hù)一個(gè)優(yōu)先列表，每次根據(jù)允許的收集時(shí)間，優(yōu)先回收垃圾最多的區(qū)域（這就是Garbage First名稱的由來(lái)）。區(qū)域劃分、有優(yōu)先級(jí)的區(qū)域回收，保證了G1收集器在有限的時(shí)間內(nèi)可以獲得最高的收集效率。

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