前言

一、如何判断一个对象是否为垃圾？

1.1、reference count（引用计数）

查看是否有引用指向该对象，有则说明该对象不是垃圾，反之就是垃圾。

我们通过下图的引用对象案例来说明。

如上图所示，我们可以看到一共是存在四个阶段。

• 第一阶段，有 3 个引用指向该对象，那该对象肯定不是垃圾。
• 第二三阶段，部分引用消失，分别各有 2 个和 3 个引用指向该对象，那该对象仍然不是垃圾。
• 第四阶段，没有任何引用再指向该对象，该对象沦为垃圾。这时垃圾回收器就可以将其回收。

1.2、reference count（引用计数）存在的问题

当出现循环引用时，如下图所示：

我们可以看到，三个对象各自指向循环中的另一个对象，但是没有其他引用指向这三个对象，那这三个对象就属于“一堆垃圾”。

那现在我们上面所说的引用计数就不能解决这个该问题，这时我们就需要使用另外一种定位方式——Root Searching（根可达算法或根搜索算法）。

二、Root Searching（根可达算法或根搜索算法）

2.1、Root Searching 释义

所谓的“根”即是：所有的程序都是从 main 方法来运行，在 main 方法里面 new 出来的对象即为根对象。

例如：在 main 方法里面我们 new 了一个 list 集合，在 list 集合中我们又可以存放若干其他对象，那我们就称 list 为根对象，我们顺着根的数据结构往下走，只要存在引用指向的对象，那该对象就不是垃圾，反之不存在引用的对象，那该对象就是垃圾。

如上图所示，对象一、二、三、四、五均是存在根对象的引用，对象五、六之间是我们上面所提到的循环引用，对象八不存在引用，故对象六、七、八是垃圾。

2.2、根对象（root）的类型

根对象不仅仅包括我们上面所说的 main 方法里面的对象，属于根对象的还有以下这些：

• JVM stack
• native method stack
• runtime constant pool
• static references in method area
• Clazz

三、三色标记算法原理与存在的问题

GC Algorithms 到目前为止一共是有三种，我们将一一进行介绍。

• Mark-Sweep（标记清除）
• Copying（拷贝）
• Mark-Compact（标记压缩或标记整理）

3.1、Mark-Sweep（标记清除）

3.1.1、Mark-Sweep（标记清除）应用原理

如上图所示，我们将可回收的垃圾对象进行标记定位，进行清除即可。将垃圾位变为可用位。

3.1.2、存在问题-内存碎片化

算法比较简单，存在缺点，长时间的运行，内存中会存在大量的碎片（碎片化问题）。

何为碎片化？

由上述得知，每一小块可回收内存均需要标记后单独清除，在业务量较大，频繁更新数据的情况下，会有个别的“碎片”长期存在于内存中不去使用，占用资源空间。大量的碎片就会造成查询效率极其低下，所以我们就需要进行处理。

3.2、Copying（拷贝）

如果我们不想出现碎片化问题，我们就可以考虑使用 Copying（拷贝）算法。

3.2.1、Copying（拷贝）应用原理

如上图所示，拷贝算法不管内存有多大，直接一分为二，每次使用仅使用内存的一半，在被使用的内存即将用尽时，将可以使用的存活对象拷贝到另一半内存中，将剩下的可回收的垃圾对象进行回收操作。在另一半内存中进行正常操作，如此循环往复。

这种算法每次拷贝完成所有的内存空间都是排列在一起，故不会产生碎片化问题。

3.2.2、存在问题-浪费空间

该算法的优势即是它的劣势，每次仅可以使用一般的内存空间进行操作，相当于浪费了一半的内存空间。

3.3、Mark-Compact（标记压缩或标记整理）

Mark-Compact（标记压缩）的优势在于完善了上述两种算法存在的缺点，既不存在碎片化问题，也不浪费空间。

3.3.1、Mark-Compact（标记压缩或标记整理）应用原理

把有用的存活对象压缩到内存空间的最前面，对可回收的垃圾对象进行处理，如上图所示。

3.3.2、存在的问题-效率过低

由于每次在压缩之间都需要计算空间，导致回收的效率大大降低。

四、垃圾回收器的制定原则

上述三种标记算法可谓是各有利弊，因此在实际应用中，一个垃圾回收器的制定是综合了上述三种算法。

4.1、综合三种算法的 GC

如上图所示，我们将新诞生的对象存放在新生代里。如果新诞生的对象经历了数次垃圾回收仍然没有被回收掉（即每经历一次垃圾回收，该对象年龄 +1，即 age++），当 age 到达一定数值，将该对象置于老年代中进行特殊处理。

4.2、新生代里面对象的 age 要取值多少？

这个即是我们进行 JVM 调优所需要的自行调整的，根据项目需求来设置。
同时对于年龄的设置，与具体所使用的 GC 息息相关。

• 如果之前没有对 GC 进行调整或调优的话，默认使用的 GC 为使用的是 PS+PO（Parallel Scavenge+Parallel
  Old），默认年龄为 15。
• 如果进行调整之后所使用的 GC 是 CMS，那 age 就是 6。
• 如果使用的 GC 是 G1 的话，则就彻底与 age 无关，因为该 GC 不分代。

4.3、堆内存逻辑分区介绍（适用分代垃圾回收器）

在 4.1 图中，老年代为 tenured。我们将新生代分为三个部分：伊甸园区和两个 survivor 区。

• 伊甸园区，即对象诞生的地方，存放所有新生的对象，与在西方中我们人类诞生的地方——伊甸园想对应。
• survivor 区，幸存者区，存放没有在垃圾回收中被回收的对象，有两个，通常命名为 s0、s1 或者 s1、s2 等叫法。

我们一般在年轻代中使用的 GC 算法为 Copying（拷贝），老年代中使用的 GC 算法为 Mark-Sweep（标记清除）和 Mark-Compact（标记压缩或标记整理）。

4.4、为什么年轻代用 Copying（拷贝）算法？

首先我们先考虑 Mark-Sweep（标记清除）和 Mark-Compact（标记压缩或标记整理），上面我们已经说到，这两种 GC 算法的缺点分别是：产生碎片化问题、内存回收效率低。

程序产生对象后，该对象很可能会在很短的时间内被回收，根据统计，一次垃圾回收可以回收掉 90% 的对象。在这样的情况下，使用 Mark-Sweep（标记清除）和 Mark-Compact（标记压缩或标记整理）效率就太低了，会造成伊甸园区很快爆满或者大规模碎片化，而新产生的对象产生放进去的效率就会大大降低。

所以在 JVM 设计中，要求年轻代的算法效率是特别高、特别快的。而 Copying（拷贝）算法的效率是最高的，但是浪费了年轻代中至少一半的内存空间。

那我们既要利用好 Copying（拷贝）算法效率高的优势，又要尽量避免内存浪费的问题，怎么解决？

4.5、 Copying（拷贝）算法在年轻代中的具体应用

第一次垃圾回收：首先将 10% 的幸存对象拷贝到第一个 survivor 中，即 s0 中，然后将整个伊甸园区进行清除。这时所有有用对象都存放在 s0 中。如下图所示：

第二次垃圾回收：将伊甸园区中有用的对象拷贝到另一个 survivor 中，即 s1 中，再将之前 s0 中的对象（前提是有用）拷贝到 s1 中，对伊甸园区与第一个 s0 进行垃圾回收。这时所有有用的对象存放在 s1 中。如下图所示：

第三次垃圾回收：再次利用 s0，将之前存活的对象与伊甸园区中产生的新对象存放在 s0 中，对伊甸园区与 s1 进行二垃圾回收。如下图所示：

第 n 次垃圾回收：如此循环往复利用新生代中的伊甸园区与 survivor 区即可。

总结

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