Java中GC的基本算法（引自他人）

一、JVM的内存组成结构

JVM内存结构由堆、栈、本地方法栈、方法区等部分组成，结构图如下：

 1、堆

所有通过new创建的对象的内存都在堆中分配，其大小可通过-Xmx和-Xms来控制。堆被划分为新生代和旧生代，新生代又被进一步划分为Eden和Survivor由FromSpace和ToSpace组成，结构如下图：

新生代：新建的对象都是用新生代分配内存，Eden空间不足时，会把存活的对象转移到Survivor中，新生代大小可以由-Xmn来控制，也可以用-XX:SurvivorRadio来控制Eden和Survivor的比例。

旧生代：用于存放新生代经过多次垃圾回收（也即Minor GC）仍然存活的对象。

2、栈

每个线程执行每个方法的时候都会在栈中申请一个栈帧，每个栈帧包括局部变量区和操作数栈，用于存放此次方法调用过程中的临时变量、参数和中间结果。

3、本地方法栈

用于支持native方法的执行，存储了每个native方法调用的状态。

4、方法区

存放了要加载的类信息，静态变量，final类型的常量、属性和方法信息。JVM用持久代（或者叫永久代，PermanetGeneration）来存放方法区，可通过-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize来指定最小值和最大值。在过去自定义类加载器还不是很常见的时候，类大多是static的，很少被卸载或收集，因此被称为“永久的（Permanent）”。同时，由于类Class是JVM实现的一部分，并不是由应用创建的，所以又被认为是“非堆（non-heap）”内存。在JDK1.8之前的HotSpot JVM，存放这些“永久的”区域叫做“永久代（Permanent Generation）”。永久代是一片连续的堆空间，在JVM启动之前通过在命令行设置参数-XX:MaxPermSize来设置永久代最大可分配的内存空间，默认是64M（64位JVM由于指针膨胀，默认是85M）。永久代的垃圾收集是和老年代（Old Generation）捆绑在一起的，因此无论谁满了，都会触发永久代和老年代的垃圾收集。不过，一个明显的问题是当JVM加载的类信息容量超过参数-XX:MaxPermSize设定的值时，应用将会报OOM的错误。永久代在JDK1.8中被完全的移除了。所以永久代的参数-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize也被移除了。在JDK1.8中，class metadata（the virtual machines internal presentation of Java class），被存储在叫做Metaspace的native memory。一些新的flags被加入：

-XX:MetaspaceSize：class metadata的初始空间配额，以bytes为单位，达到该值就会触发垃圾收集进行类型卸载，同时GC会对该值进行调整；如果释放了大量的空间，就适当地降低该值；如果释放了很少的空间，那么在不超过MaxMetaspaceSizes（如果设置了的话）时，就适当地提高该值。

-XX:MaxMetaspaceSize：可以为class metadata分配的最大空间。默认是没有限制的。

-XX:MInMetaspaceFreeRadio：在GC之后，最小的Metaspace剩余空间容量的百分比，减少为class metadata分配空间导致的垃圾收集。

-XX:MaxMetaspaceFreeRadio：在GC之后，最大的Metaspace剩余空间容量的百分比，减少为class metadata分配空间导致的垃圾收集。

默认情况下，class metadata的分配权受限于可用的native memory总量。可以使用MaxMetaspaceSize来限制可以为class metadata分配的最大内存。当class metadata的使用的内存达到MetaspaceSize（32位clientVM默认是16M）时就会对死亡的类加载器和类进行垃圾收集。设置MetaspaceSize为一个较高的值可以推迟垃圾收集的发生。

介绍完了JVM内存组成结构，下面我们再来看一下JVM垃圾回收机制。

二、Java中GC的基本算法

1、引用计数（reference counting）

原理：此对象有一个引用，则加1；删除一个引用，则减1。只用收集计数为0的对象。

缺点：1）无法处理循环引用的问题。如：对象A和B分别有字段b、a，令A.b=B和B.a=A，除此之外这2个对象再无任何引用，那实际上这两个对象已经不可能再被访问，但是引用计数算法却无法回收他们。2）引用计数的方法需要编译器的配合。编译器需要为此对象生成额外的代码。如赋值函数将此对象赋值给一个引用时，需要增加此对象的引用计数。还有就是，当一个引用变量的生命周期结束时，需要更新此对象的引用计数器。引用计数的方法由于存在显著的缺点，实际上并未被JVM所使用。

2、复制（copying）

原理：把内存空间划分为2个相等的区域，每次只使用一个区域。垃圾回收时，遍历当前使用区域，把正在使用的对象复制到另外一个区域。

优点：不会出现碎片问题。

缺点：1）暂停整个应用。2）需要2倍的内存空间。

3、标记-清扫（mark-and-sweep）

原理：对于“活”的对象，一定可以追溯到其存活在堆栈、静态存储区之中的引用。这个引用链条可能会穿过数个对象层次，算法基于有向图，采用深度优先搜索。第一阶段，从GC roots开始遍历所有的引用，对有活的对象进行标记；第二阶段，对堆进行遍历，把未标记的对象进行清除。

优点：解决了循环引用的问题。

缺点：1）暂停整个应用；2）会产生内存碎片；3）不管你这个对象是不是可达的，即是不是垃圾，都要在清除阶段检查一遍，非常耗时。sun前期版本就是用这个技术。

4、标记-压缩（mark-compact）

第一阶段，同标记-清扫，标记活的对象；第二阶段，将所有做了标记的活动对象整理到堆的底部。

优点：1）避免标记扫描的碎片问题；2）避免停止复制的空间问题。

5、分代（generational collecting）

原理：基于对象生命周期分析得出的垃圾回收算法。把对象分为年轻代、年老代、持久代，对不同的生命周期使用不同的算法（2-3方法中的一个即4自适应）进行回收。J2SE1.2以后使用此算法。JVM分别对新生代和旧生代采用不同的垃圾回收机制。

1）新生代GC（Minor GC）：指发生在新生代的垃圾收集动作，因为Java对象大都具备朝生夕灭的特性，所以Minor GC非常频繁，一般回收速度也比较快。新生代通常存活时间较短，因此基于Copying算法来进行回收，所谓Copying算法就是扫描出存活的对象，并复制到一块新的完全未使用的空间中，对应于新生代，就是在Eden和FromSpace或ToSpace之间copy。新生代采用空闲指针的方式来控制GC触发，指针保持最后一个分配的对象在新生代区间的位置，当有新的对象要分配内存时，用于检查空间是否足够，不够就触发GC。当连续分配对象时，对象会逐渐从Eden到Survivor，最后到旧生代。

2）旧生代GC（Major GC/Full GC）：指发生在老年代的GC。旧生代与新生代不同，对象存活的时间比较长，比较稳定，因此采用标记（Mark）算法来进行回收，所谓标记就是扫描出存活的对象，然后再进行回收未被标记的对象，回收后对空出的空间要么进行合并，要么标记出来便于下次进行分配，总之就是要减少内存碎片带来的效率损耗。Major GC的速度一般会比Minor GC慢10倍以上。Think in Java中对Java GC的描述是这样的：“自适应、分代的、停止-复制、标记-扫描”式的垃圾回收器。

导致GC的情况如下：tenured被写满；perm被写满；System.gc()显示调用；上一次GC之后heap的各域分配策略动态变化。