JVM 之 GC 算法分析

Java 虚拟机（JVM）是 Java 程序运行的环境，而垃圾回收（GC）是 JVM 中重要的组成部分之一，负责自动回收内存，避免内存泄漏和程序崩溃。JVM 的垃圾回收算法经历了多年的发展和优化，本文将深入分析 JVM 的垃圾回收算法，包括其原理、优缺点以及应用场景。

垃圾回收算法的原理

垃圾回收算法的核心思想是识别出哪些对象是“垃圾”，即不再被程序所使用，从而可以将这些对象从内存中回收。垃圾回收算法的实现过程可以分为两个主要步骤：标记和清理。
标记阶段：垃圾回收器会从根对象（程序直接访问的对象）开始，遍历整个对象图，将被回收的对象打上标记。标记完成后，垃圾回收器就可以确定哪些对象是垃圾，哪些对象是存活的。
清理阶段：垃圾回收器在标记阶段完成后，将扫描整个堆，清除所有被标记的对象，从而完成垃圾回收。

垃圾回收算法的优缺点

JVM 的垃圾回收算法有多种，每种算法都有其优缺点和适用范围。下面将分别对 JVM 常用的垃圾回收算法进行分析。

标记 - 清除算法（Mark-Sweep）

标记 - 清除算法是最基础的垃圾回收算法，其原理简单，实现容易。该算法先将所有对象打上标记，然后清除所有被标记的对象。但是该算法存在以下缺点：

• 效率低下：标记和清除对象需要遍历整个堆，时间复杂度较高。
• 产生内存碎片：在清理阶段，对象的随机分布会导致内存碎片的产生，降低内存利用率。
  因此，该算法适用于内存较小的情况，如嵌入式系统等。

复制算法（Copying）

复制算法将堆分为两个区域，每次只使用其中一个区域。当该区域用完后，将该区域中的存活对象复制到另一个区域，然后再清除该区域的所有对象。该算法的优点是不会产生内存碎片，但是需要额外的空间进行复制。
该算法适用于内存较大的情况，如服务器端应用程序。

标记 - 整理算法（Mark-Compact）

标记 - 整理算法与标记 - 清除算法类似，同样需要标记和清理两个阶段。但是，在清理阶段，该算法将所有存活的对象移动到内存的一端，然后再清除端边界以外的内存。该算法的优点是不会产生内存碎片，但是需要移动对象，开销较大。
该算法适用于内存较大的情况，如服务器端应用程序。

分代收集算法（Generational）

分代收集算法根据对象的存活周期将堆内存划分为不同的代，新创建的对象放在年轻代中，经过多次回收后还存活的对象就会被放到老年代中。该算法采用不同的垃圾回收算法对不同代进行回收，可以提高垃圾回收效率，减少应用程序的停顿时间。
该算法适用于复杂的应用程序，如浏览器等。

垃圾回收算法的应用场景

不同的垃圾回收算法适用于不同的应用场景。下面将分别对不同垃圾回收算法的应用场景进行分析。

• 标记 - 清除算法：适用于内存较小的情况，如嵌入式系统等。
• 复制算法：适用于内存较大的情况，如服务器端应用程序。
• 标记 - 整理算法：适用于内存较大的情况，如服务器端应用程序。
• 分代收集算法：适用于复杂的应用程序，如浏览器等。

结论

JVM 的垃圾回收算法是 Java 程序运行的重要组成部分，其优缺点和适用范围各有不同。理解垃圾回收算法的原理和应用场景，可以帮助我们更好地优化 Java 程序的性能，提高应用程序的运行效率。