摘要：復(fù)制這一工作所花費(fèi)的時(shí)間，在對(duì)象存活率達(dá)到一定程度時(shí)，將會(huì)變的不可忽視。針對(duì)老年代老年代的特點(diǎn)是區(qū)域較大，對(duì)像存活率高。這種情況，存在大量存活率高的對(duì)像，復(fù)制算法明顯變得不合適。

GC(Garbage Collection)即Java垃圾回收機(jī)制，是Java與C++的主要區(qū)別之一，作為Java開發(fā)者，一般不需要專門編寫內(nèi)存回收和垃圾清理代碼，對(duì)內(nèi)存泄露和溢出的問題，也不需要像C++程序員那樣戰(zhàn)戰(zhàn)兢兢，就是因?yàn)镴ava有這個(gè)方便的機(jī)制。

為了對(duì)GC有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)，先來一張圖：

對(duì)圖中各種名詞不熟悉的話，請(qǐng)參照我的上一篇文章：JVM小結(jié)

JVM在進(jìn)行GC時(shí)，并非每次都對(duì)上面三個(gè)內(nèi)存區(qū)域一起回收的，大部分時(shí)候回收的都是指新生代。因此GC按照回收的區(qū)域又分了兩種類型，一種是普通GC（minor GC），一種是全局GC（major GC or Full GC）

普通GC（minor GC）：只針對(duì)新生代區(qū)域的GC。

全局GC（major GC or Full GC）：針對(duì)年老代的GC，偶爾伴隨對(duì)新生代的GC以及對(duì)永久代的GC。

年輕代中使用的是Minor GC，這種GC算法采用的是復(fù)制算法(Copying)。

此圖代表了堆的內(nèi)存結(jié)構(gòu)

HotSpot JVM把年輕代分為了三部分：1個(gè)Eden區(qū)和2個(gè)Survivor區(qū)（分別叫from和to）。默認(rèn)比例為8:1:1,一般情況下，新創(chuàng)建的對(duì)象都會(huì)被分配到Eden區(qū)(一些大對(duì)象特殊處理),這些對(duì)象經(jīng)過第一次Minor GC后，如果仍然存活，將會(huì)被移到Survivor區(qū)。對(duì)象在Survivor區(qū)中每熬過一次Minor GC，年齡就會(huì)增加1歲，當(dāng)它的年齡增加到一定程度時(shí)，就會(huì)被移動(dòng)到年老代中。因?yàn)槟贻p代中的對(duì)象基本都是朝生夕死的(80%以上)，所以在年輕代的垃圾回收算法使用的是復(fù)制算法，復(fù)制算法的基本思想就是將內(nèi)存分為兩塊，每次只用其中一塊，當(dāng)這一塊內(nèi)存用完，就將還活著的對(duì)象復(fù)制到另外一塊上面。復(fù)制算法不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)存碎片。

在GC開始的時(shí)候，對(duì)象只會(huì)存在于Eden區(qū)和名為From的Survivor區(qū)，Survivor區(qū)To是空的。緊接著進(jìn)行GC，Eden區(qū)中所有存活的對(duì)象都會(huì)被復(fù)制到To，而在From區(qū)中，仍存活的對(duì)象會(huì)根據(jù)他們的年齡值來決定去向。年齡達(dá)到一定值(年齡閾值，可以通過-XX:MaxTenuringThreshold來設(shè)置)的對(duì)象會(huì)被移動(dòng)到年老代中，沒有達(dá)到閾值的對(duì)象會(huì)被復(fù)制到To區(qū)域。經(jīng)過這次GC后，Eden區(qū)和From區(qū)已經(jīng)被清空。這個(gè)時(shí)候，From和To會(huì)交換他們的角色，也就是新的To就是上次GC前的From，新的From就是上次GC前的To。不管怎樣，都會(huì)保證名為To的Survivor區(qū)域是空的。Minor GC會(huì)一直重復(fù)這樣的過程，直到To區(qū)被填滿，To區(qū)被填滿之后，會(huì)將所有對(duì)象移動(dòng)到年老代中。

-XX:MaxTenuringThreshold  設(shè)置對(duì)象在新生代中存活的次數(shù)

因?yàn)镋den區(qū)對(duì)象一般存活率較低，一般的，使用兩塊10%的內(nèi)存作為空閑和活動(dòng)區(qū)間，而另外80%的內(nèi)存，則是用來給新建對(duì)象分配內(nèi)存的。一旦發(fā)生GC，將10%的from活動(dòng)區(qū)間與另外80%中存活的eden對(duì)象轉(zhuǎn)移到10%的to空閑區(qū)間，接下來，將之前90%的內(nèi)存全部釋放，以此類推。

劣勢(shì)：
復(fù)制算法彌補(bǔ)了標(biāo)記/清除算法中，內(nèi)存布局混亂的缺點(diǎn)。不過與此同時(shí)，它的缺點(diǎn)也是相當(dāng)明顯的：

它浪費(fèi)了一半的內(nèi)存。

如果對(duì)象的存活率很高，我們可以極端一點(diǎn)，假設(shè)是100%存活，那么我們需要將所有對(duì)象都復(fù)制一遍，并將所有引用地址重置一遍。復(fù)制這一工作所花費(fèi)的時(shí)間，在對(duì)象存活率達(dá)到一定程度時(shí)，將會(huì)變的不可忽視。 所以從以上描述不難看出，復(fù)制算法要想使用，最起碼對(duì)象的存活率要非常低才行，而且最重要的是，我們必須要克服50%內(nèi)存的浪費(fèi)。

老年代一般是由標(biāo)記清除或者是標(biāo)記清除與標(biāo)記整理的混合實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)堆中的有效內(nèi)存空間（available memory）被耗盡的時(shí)候，就會(huì)停止整個(gè)程序（也被稱為stop the world），然后進(jìn)行兩項(xiàng)工作，第一項(xiàng)則是標(biāo)記，第二項(xiàng)則是清除。

標(biāo)記：從引用根節(jié)點(diǎn)開始標(biāo)記所有被引用的對(duì)象。標(biāo)記的過程其實(shí)就是遍歷所有的GC Roots，然后將所有GC Roots可達(dá)的對(duì)象 標(biāo)記為存活的對(duì)象。

清除：遍歷整個(gè)堆，把未標(biāo)記的對(duì)象清除。

通俗來講，就是當(dāng)程序運(yùn)行期間，若可以使用的內(nèi)存被耗盡的時(shí)候，GC線程就會(huì)被觸發(fā)并將程序暫停，隨后將依舊存活的對(duì)象標(biāo)記一遍，最終再將堆中所有沒被標(biāo)記的對(duì)象全部清除掉，接下來便讓程序恢復(fù)運(yùn)行。

缺點(diǎn)：

效率比較低（遞歸與全堆對(duì)象遍歷），而且在進(jìn)行GC的時(shí)候，需要停止應(yīng)用程序，這會(huì)導(dǎo)致用戶體驗(yàn)非常差。

這種方式清理出來的空閑內(nèi)存是不連續(xù)的，我們的死亡對(duì)象都是隨即的出現(xiàn)在內(nèi)存的各個(gè)角落的，把它們清除之后，內(nèi)存的布局自然會(huì)散亂。而為了應(yīng)付這一點(diǎn)，JVM就不得不維持一個(gè)內(nèi)存的空閑列表，這又是一種開銷。而且在分配數(shù)組對(duì)象的時(shí)候，尋找連續(xù)的內(nèi)存空間會(huì)有難度。

老年代一般是由標(biāo)記清除或者是標(biāo)記清除與標(biāo)記壓縮的混合實(shí)現(xiàn)。

在整理壓縮階段，不再對(duì)標(biāo)記的對(duì)像做回收，而是通過所有存活對(duì)像都向一端移動(dòng)，然后直接清除邊界以外的內(nèi)存。
可以看到，標(biāo)記的存活對(duì)象將會(huì)被整理，按照內(nèi)存地址依次排列，而未被標(biāo)記的內(nèi)存會(huì)被清理掉。如此一來，當(dāng)我們需要給新對(duì)象分配內(nèi)存時(shí)，JVM只需要持有一個(gè)內(nèi)存的起始地址即可，這比維護(hù)一個(gè)空閑列表顯然少了許多開銷。
標(biāo)記/整理算法不僅可以彌補(bǔ)標(biāo)記/清除算法當(dāng)中，內(nèi)存區(qū)域分散的缺點(diǎn)，也消除了復(fù)制算法當(dāng)中，內(nèi)存減半的高額代價(jià)。

劣勢(shì)：標(biāo)記/整理算法唯一的缺點(diǎn)就是效率也不高，不僅要標(biāo)記所有存活對(duì)象，還要整理所有存活對(duì)象的引用地址。從效率上來說，標(biāo)記/整理算法要低于復(fù)制算法。

這種算法最直接簡(jiǎn)單，它維護(hù)了一個(gè)引用計(jì)數(shù)器，對(duì)象被引用一次計(jì)數(shù)器+1，少一次-1，如果計(jì)數(shù)器為0則對(duì)象就被視為垃圾進(jìn)行回收。

注：JVM的實(shí)現(xiàn)一般不采用這種方式。

劣勢(shì)：

每次對(duì)對(duì)象賦值時(shí)均需維護(hù)計(jì)數(shù)器，且計(jì)數(shù)器本身有一定消耗。

較難處理循環(huán)引用。

內(nèi)存效率：復(fù)制算法>標(biāo)記清除算法>標(biāo)記整理算法（此處的效率只是簡(jiǎn)單的對(duì)比時(shí)間復(fù)雜度，實(shí)際情況不一定如此）。
內(nèi)存整齊度：復(fù)制算法==標(biāo)記整理算法>標(biāo)記清除算法。
內(nèi)存利用率：標(biāo)記整理算法==標(biāo)記清除算法>復(fù)制算法。
可以看出，效率上來說，復(fù)制算法最快，但是卻浪費(fèi)了太多內(nèi)存，而為了盡量兼顧上面所提到的三個(gè)指標(biāo)，標(biāo)記/整理算法相對(duì)來說更平滑一些，但效率上依然不盡如人意，它比復(fù)制算法多了一個(gè)標(biāo)記的階段，又比標(biāo)記/清除多了一個(gè)整理內(nèi)存的過程。

有沒有最好的算法呢？只能說：沒有最好的，只有最適合的——分代收集：

年輕代特點(diǎn)是區(qū)域相對(duì)老年代較小，對(duì)像存活率低。這種情況復(fù)制算法的回收整理，速度是最快的。復(fù)制算法的效率只和當(dāng)前存活對(duì)像大小有關(guān)，因而很適用于年輕代的回收。而復(fù)制算法內(nèi)存利用率不高的問題，通過hotspot中的兩個(gè)survivor的設(shè)計(jì)得到緩解。

老年代的特點(diǎn)是區(qū)域較大，對(duì)像存活率高。
這種情況，存在大量存活率高的對(duì)像，復(fù)制算法明顯變得不合適。一般是由標(biāo)記清除或者是標(biāo)記清除與標(biāo)記整理的混合實(shí)現(xiàn)。
Mark階段的開銷與存活對(duì)像的數(shù)量成正比，這點(diǎn)上說來，對(duì)于老年代，標(biāo)記清除或者標(biāo)記整理有一些不符，但可以通過多核/線程利用，對(duì)并發(fā)、并行的形式提標(biāo)記效率。
Sweep階段的開銷與所管理區(qū)域的大小形正相關(guān)，但Sweep“就地處決”的特點(diǎn)，回收的過程沒有對(duì)像的移動(dòng)。使其相對(duì)其它有對(duì)像移動(dòng)步驟的回收算法，仍然是效率最好的。但是需要解決內(nèi)存碎片問題。
Compact階段的開銷與存活對(duì)像的數(shù)據(jù)成開比，如上一條所描述，對(duì)于大量對(duì)像的移動(dòng)是很大開銷的，做為老年代的第一選擇并不合適。
基于上面的考慮，老年代一般是由標(biāo)記清除或者是標(biāo)記清除與標(biāo)記整理的混合實(shí)現(xiàn)。以hotspot中的CMS回收器為例，CMS是基于Mark-Sweep實(shí)現(xiàn)的，對(duì)于對(duì)像的回收效率很高，而對(duì)于碎片問題，CMS采用基于Mark-Compact算法的Serial Old回收器做為補(bǔ)償措施：當(dāng)內(nèi)存回收不佳（碎片導(dǎo)致的Concurrent Mode Failure時(shí)），將采用Serial Old執(zhí)行Full GC以達(dá)到對(duì)老年代內(nèi)存的整理。