分代收集理論

當(dāng)前商業(yè)虛假你寄的垃圾收集器，大多數(shù)遵循了“分代收集”的理論，它建立在兩個(gè)分代假說上：

• 弱分代假說：絕大數(shù)對(duì)象都是朝生夕滅的。

• 強(qiáng)分代假說：熬過越多次垃圾收集過程的對(duì)象就越難消亡。

這兩個(gè)分代假說共同奠定了多款常用垃圾收集器的一致的設(shè)計(jì)原則：收集器應(yīng)將Java堆劃分出不同區(qū)域，然后將回收對(duì)象依據(jù)其年齡（即熬過垃圾收集過程次數(shù)）分配到不同區(qū)域中存儲(chǔ)。

在Java堆劃分出不同區(qū)域之后，垃圾收集器才能每次只回收其中某一個(gè)或者某些部分區(qū)域------因而才有了“Minor GC”、“Major GC”、“Full GC”這樣的回收類型劃分；也才能夠針對(duì)不同區(qū)域安排與里面存儲(chǔ)對(duì)象存亡特征相匹配的垃圾收集算法：“標(biāo)記-復(fù)制算法”、“標(biāo)記-清除算法”、“標(biāo)記-整理算法”。

把分代收集理論具體放到現(xiàn)在商用虛擬機(jī)里，設(shè)計(jì)者一般至少會(huì)把Java堆劃分為新生代和老年代兩個(gè)區(qū)域。

跨分代假說

分代收集并非只是簡(jiǎn)單的劃分一下內(nèi)存區(qū)域那么容易，他至少存在著一個(gè)困難：對(duì)象不是孤立的，對(duì)象間會(huì)存在跨代引用（在新生代中“不可達(dá)”的對(duì)象，可能被老年代中的對(duì)象引用，反之亦然）。

• 跨代引用假說：跨代引用相對(duì)于同代引用來說僅占少數(shù)。

這其實(shí)是可以根據(jù)前兩條假說推出的隱含推論：存在相互引用關(guān)系的兩個(gè)對(duì)象，是應(yīng)該傾向于同時(shí)消亡的。（由于老年代引用對(duì)象難以消亡，其引用的新生代對(duì)象也同樣難以消亡，進(jìn)而年齡增長(zhǎng)，新對(duì)象會(huì)進(jìn)入老年代，這種跨代引用關(guān)系就消失了）。

依據(jù)這條假說，我們就不需要為了少量的跨代引用去掃描整個(gè)老年代，也不必專門記錄每個(gè)對(duì)象是否存在及存在哪些跨代引用。只需要建立一個(gè)全局的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（記憶集， Remembered Set），這個(gè)結(jié)構(gòu)把老年代劃分成若干小塊，標(biāo)識(shí)出拿一塊內(nèi)存會(huì)存在跨代引用。此后發(fā)生Minor GC時(shí)，會(huì)將這些區(qū)域加入到GC Roots掃描。

部分收集（Partial GC）：指不是完整收集整個(gè)Java堆的垃圾收集。

• 新生代收集（Minor GC/Young GC）：目標(biāo)只是新生代的垃圾收集。

• 老年代收集（Major GC/Old GC）：目標(biāo)只是老年代的垃圾收集。

  目前只有CMS收集器會(huì)有單獨(dú)收集老年代的行為。

• 混合收集（Mixed GC）：指收集整個(gè)新生代和部分老年代的垃圾收集。

  目前只有G1收集器會(huì)有這種行為。

整堆收集（Full GC）：收集整個(gè)Java堆和方法區(qū)的垃圾收集。

垃圾收集算法

• 標(biāo)記-清除算法(Mark-Sweep)

  算法分為標(biāo)記和清除兩個(gè)階段，在標(biāo)記完成后，統(tǒng)一回收掉所有被標(biāo)記（或未被標(biāo)記）的對(duì)象。標(biāo)記過程就是判定對(duì)象是否“死亡”的過程。

  它主要有兩個(gè)缺點(diǎn)：執(zhí)行效率不穩(wěn)定、內(nèi)存空間碎片化。

  
  

• 標(biāo)記-復(fù)制算法

  將內(nèi)存分為大小相等的兩塊，每次只使用其中的一塊，當(dāng)一塊內(nèi)存用完了，就將還存活帶著的對(duì)象復(fù)制到另外一塊上，再把已使用過的內(nèi)存空間一次性清理掉。

  這樣實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，運(yùn)行高效，但代價(jià)是將可用內(nèi)存縮小為原來的一半，空間浪費(fèi)太多。

  Andrew Appel針對(duì)具備“朝生夕滅”特點(diǎn)的對(duì)象（新生代中的對(duì)象有98%熬不過第一輪收集），提出了一種更優(yōu)化的半?yún)^(qū)復(fù)制分代策略，現(xiàn)在稱為“Appel式回收”。具體做法是：將新生代分為一塊較大的Eden和兩塊較小的Survivor空間（8:1:1），每次分配內(nèi)存只用Eden空間和其中一塊Survivor空間。發(fā)生垃圾收集時(shí)，將Eden和Survivor中還存活的對(duì)象復(fù)制到另一塊Survivor中，然后清除掉Eden和已經(jīng)用過的那塊Survivor。Appel式回收還有針對(duì)極端情況(存活的對(duì)象超過了Survivor的內(nèi)存大小)的安全設(shè)計(jì)，當(dāng)Survivor不能再存放更多對(duì)象時(shí)就需要其他區(qū)域進(jìn)行分配擔(dān)保（實(shí)際上大多為老年代）。

  
  

• 標(biāo)記-整理算法（Mark-Compact）

  “標(biāo)記-復(fù)制算法”在對(duì)象存活率較高時(shí)就需要進(jìn)行更多的復(fù)制操作，效率會(huì)將會(huì)降低。針對(duì)老年代的存亡特征，提出了另一種針對(duì)性的算法---“標(biāo)記-整理算法”。標(biāo)記-整理算法也分為標(biāo)記和整理兩個(gè)步驟，標(biāo)記過程和“標(biāo)記-清除算法”一樣，但后續(xù)步驟不不是直接對(duì)可回收對(duì)象進(jìn)行清理，而是讓所有存活的對(duì)象都向一邊移動(dòng)，然后直接清理掉邊界以外的內(nèi)存。

  “標(biāo)記-清除算法”與“標(biāo)記-整理算法”的本質(zhì)差異在于前者是一種非移動(dòng)式的回收算法，而后者是移動(dòng)式的。

  是否移動(dòng)存活的對(duì)象是一項(xiàng)優(yōu)缺點(diǎn)并存的風(fēng)險(xiǎn)決策：如果移動(dòng)對(duì)象，尤其是老年代這種有大量對(duì)象存活的區(qū)域，移動(dòng)這些存活對(duì)象會(huì)是一種負(fù)重極大的操作，并且移動(dòng)對(duì)象的操作必須全程暫停用戶應(yīng)用程序才能進(jìn)行（最新的ZGC和Shenandoah收集器使用讀屏障技術(shù)實(shí)現(xiàn)了整理過程與用戶線程并發(fā)執(zhí)行）；如不移動(dòng)對(duì)象，就會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存空間碎片化的問題，只能依賴于更加復(fù)雜的內(nèi)存分配器和內(nèi)存訪問器來解決。

  基于以上兩點(diǎn)，是否一定對(duì)象都存在弊端。有一種“和稀泥式”的解決方案可以不在內(nèi)存分配和訪問上增加太多額外負(fù)擔(dān)，做法是讓虛擬機(jī)平時(shí)多數(shù)采用“標(biāo)記-清除算法”，容忍內(nèi)存碎片的存在，知道內(nèi)存空間碎片化程度已經(jīng)影響到對(duì)象分配時(shí)，再采用“標(biāo)記-整理算法”一次，以獲得規(guī)整的空間。CMS收集器就是采用的這種辦法。