动图图解GC算法 - 让垃圾回收动起来！

发表于 3年以前 | 总阅读数：1492 次

提到Java中的垃圾回收，我相信很多小伙伴和我一样，第一反应就是面试必问了，你要是没背过点GC算法、收集器什么的知识，出门都不敢说自己背过八股文。说起来还真是有点尴尬，工作中实际用到这方面知识的场景真是不多，并且这东西学起来也很枯燥，但是奈何面试官就是爱问，我们能有什么办法呢？

既然已经卷成了这样，不学也没有办法，Hydra牺牲了周末时间，给大家画了几张动图，希望通过这几张图，能够帮助大家对垃圾收集算法有个更好的理解。废话不多说，首先还是从基础问题开始，看看怎么判断一个对象是否应该被回收。

垃圾回收的根本目的是利用一些算法进行内存的管理，从而有效的利用内存空间，在进行垃圾回收前，需要判断对象的存活情况，在jvm中有两种判断对象的存活算法，下面分别进行介绍。

在对象中添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时计数器就加 1，当引用失效时计数器减 1。当计数器为0的时候，表示当前对象可以被回收。

这种方法的原理很简单，判断起来也很高效，但是存在两个问题：

public void reference(){
  A a = new A();
  B b = new B();
  a.instance = b;
  b.instance = a;    
}

引用计数的变化过程如下图所示：

可以看到，在方法执行完成后，栈中的引用被释放，但是留下了两个对象在堆内存中循环引用，导致了两个实例最后的引用计数都不为0，最终这两个对象的内存将一直得不到释放，也正是因为这一缺陷，使引用计数算法并没有被实际应用在gc过程中。

可达性分析算法是jvm默认使用的寻找垃圾的算法，需要注意的是，虽然说的是寻找垃圾，但实际上可达性分析算法寻找的是仍然存活的对象。至于这样设计的理由，是因为如果直接寻找没有被引用的垃圾对象，实现起来相对复杂、耗时也会比较长，反过来标记存活的对象会更加省时。

可达性分析算法的基本思路就是，以一系列被称为GC Roots的对象作为起始点，从这些节点开始向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链，当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连时，证明该对象不再存活，可以作为垃圾被回收。

在java中，可作为GC Roots的对象有以下几种：

在虚拟机栈（栈帧的本地变量表）中引用的对象
在方法区中静态属性引用的对象
在方法区中常量引用的对象
在本地方法栈中JNI（native方法）引用的对象
jvm内部的引用，如基本数据类型对应的Class对象、一些常驻异常对象等，及系统类加载器
被同步锁synchronized持有的对象引用
反映jvm内部情况的 JMXBean、JVMTI中注册的回调本地代码缓存等
此外还有一些临时性的GC Roots，这是因为垃圾收集大多采用分代收集和局部回收，考虑到跨代或跨区域引用的对象时，就需要将这部分关联的对象也添加到GC Roots中以确保准确性

其中比较重要、同时提到的比较多的还是前面4种，其他的简单了解一下即可。在了解了jvm是如何寻找垃圾对象之后，我们来看一看不同的垃圾收集算法的执行过程是怎样的。

标记清除算法是一种非常基础的垃圾收集算法，当堆中的有效内存空间耗尽时，会触发STW（stop the world），然后分标记和清除两阶段来进行垃圾收集工作：

通过下面的图，简单的看一下两阶段的执行过程：

但是这种算法会带来几个问题：

此外，jvm并不是真正的把垃圾对象进行了遍历，把内部的数据都删除了，而是把垃圾对象的首地址和尾地址进行了保存，等到再次分配内存时，直接去地址列表中分配，通过这一措施提高了一些标记清除算法的效率。

复制算法主要被应用于新生代，它将内存分为大小相同的两块，每次只使用其中的一块。在任意时间点，所有动态分配的对象都只能分配在其中一个内存空间，而另外一个内存空间则是空闲的。复制算法可以分为两步：

当其中一块内存的有效内存空间耗尽后，jvm会停止应用程序运行，开启复制算法的gc线程，将还存活的对象复制到另一块空闲的内存空间。复制后的对象会严格按照内存地址依次排列，同时gc线程会更新存活对象的内存引用地址，指向新的内存地址
在复制完成后，再把使用过的空间一次性清理掉，这样就完成了使用的内存空间和空闲内存空间的对调，使每次的内存回收都是对内存空间的一半进行回收

通过下面的图来看一下复制算法的执行过程：