Java 中垃圾回收机制中如何判断对象需要回收?常见的 GC 回收算法有哪些?

TopK面试题

1、中垃圾回收机制中如何判断对象需要回收

  1. 引用计数算法(Reference Counting)

            在对象(对象头)中添加一个引用计数器,每当有一个地方引用它时,计数器值就加一; 当引用失效时,计数器值就减一; 任何时刻计数器为零的对象就是不可能再被使用的。引用计数算法虽然占用了一些额外的内存空间来进行计数,但它的原理简单,判定效率也很高,在大多数情况下它都是一个不错的算法。这个看似简单的算法有很多例外情况要考虑,必须要配合大量额外处理才能保证正确地工作,譬如单纯的引用计数就很难解决对象之间相互循环引用的问题。

  1. 可达性分析算(Reachability Analysis)

            当前主流的商用程序语言(Java、C#)的内存管理子系统,都是通过可达性分析算法来判定对象是否存活的。这个算法的基本思路就是通过一系列称为“GC Roots”的根对象作为起始节点集,从这些节点开始,根据引用关系向下搜索,搜索过程所走过的路径称为“引用链”(Reference Chain),如果某个对象到GC Roots间没有任何引用链相连,或者用图论的话来说就是从GC Roots到这个对象不可达时,则证明此对象是不可能再被使用的

            在Java技术体系里面,固定可作为GC Roots的对象包括以下几种:

             1. 在虚拟机栈(栈帧中的本地变量表)中引用的对象,譬如各个线程被调用的方法堆栈中使用到的参数、局部变量、临时变量等。

             2. 在方法区中类静态属性引用的对象,譬如Java类的引用类型静态变量。

             3. 在方法区中常量引用的对象,譬如字符串常量池(String Table)里的引用。

2、GC回收算法

  1. 标记-清除(Mark-Sweep)算法:

            如它的名字一样,算法分为“标记”和“清除”两个阶段: 首先标记出所有需要回收的对象,在标记完成后,统一回收掉所有被标记的对象,也可以反过来,标记存 活的对象,统一回收所有未被标记的对象。标记过程就是对象是否属于垃圾的判定过程

            它的主要缺点有两个: 第一个是执行效率不稳定,如果Java堆中包含大量对象,而且其中大部分是需要被回收的,这时必须进行大量标记和清除的动作,导致标记和清除两个过程的执行效率都随对象数量增⻓而降低; 第二个是内存空间的碎片化问题,标记、清除之后会产生大量不连续的内存碎片,空间碎片太多可能会导致当以后在程序运行过程中需要分配较大对象时无法找到足够的连续内存而不得不提前触发另一次垃圾收集动作(Full GC)。

  2. 标记-复制算法:

            为了解决标记-清除算法面对大量可回收对象时执行效率低的问题,它将可用内存按容量划分为大小相等的两块,每次只使用其中的一块。当这一块的内存用完了,就将还存活着的对象复制到另外一块上面,然后再把已使用过的内存空间一次清理掉。如果内存中多数对象都是存活的,这种算法将会产生大量的内存间复制的开销,但对于多数对象都是可回收的情况,算法需要复制的就是占少数的存活对象,而且每次都是针对整个半区进行内存回收,分配内存时也就不用考虑有空间碎片的复杂情况, 只要移动堆顶指针,按顺序分配即可。这样实现简单,运行高效,不过其缺陷也显而易⻅,这种复制回收算法的代价是将可用内存缩小为了原来的一半,空间浪费未免太多了一点。

  3. 标记-整理(Mark-Compact)算法:

            标记-复制算法在对象存活率较高时就要进行较多的复制操作,效率将会降低。更关键的是,如果不想浪费50%的空间,就需要有额外的空间进行分配担保,以应对被使用的内存中所有对象都100%存活的极端情况,所以在老年代一般不能直接选用这种算法。如果移动存活对象,尤其是在老年代这种每次回收都有大量对象存活区域,移动存活对象并更新所有引用这些对象的地方将会是一种极为负重的操作,而且这种对象移动操作必须全程暂停用户应用程序才能进行,这就更加让使用者不得不小心翼翼地权衡其弊端了,像这样的停顿被最初的虚拟机设计者形象地描述为“Stop The World”(STW)。

    Stop The World

            因为GC时,尽可能要让垃圾回收器专心工作,不能随便让我们写的Java系统继续新建对象了,所以此时JVM会在后台直接进入“Stop the World”:停止Java系统所有工作线程,让我们写的代码无法再运行!然后让GC线程能安心执行GC。这就能让我们的系统暂停运行,不再创建新对象,同时让GC线程尽快完成GC工作:标记和转移Eden及Survivor2的存活对象到Survivor1,然后快速地一次性回收掉Eden和Survivor2中的垃圾对象:GC完毕,即可继续恢复Java系统的工作线程运行,继续在Eden创建新对象:

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