一、前言
前段時間大致看了一下《深入理解Java虛擬機》這本書，對相關的基礎知識有了一定的了解，准備寫一寫JVM的系列博客，這是第二篇。這篇博客就來談一談JVM中使用到的垃圾回收算法。
二、正文
2.1 什么是垃圾回收
在正式介紹垃圾回收算法前，先來說說什么是垃圾回收。這里所說的垃圾主要指的是已經不會再繼續使用的對象，當然也有可能是其他，比如不再使用的類以及常量，但主要還是指對象，所以以下算法將介紹對象的回收。所以垃圾回收的含義就是：將內存中已經不會被使用的對象（或類和常量）清除，釋放內存空間。
JVM的內存模型分為五個部分，其中堆內存的唯一目的就是存放對象，對象也基本上都是存放在堆內存中。堆中，為了方便進行垃圾回收，一般會將內存分為兩個部分：
- 新生代：用來存放生命周期短的對象。由於這一塊內存中的對象存活時間較短，所以頻繁發生垃圾回收，而且每次回收一般都能釋放大量空間；
- 老年代：用來存放生命周期長的對象。新生代中存活了較長時間的對象會被遷移到這里（當然，對象進入老年代不僅僅只有這一個方法），所以這里存放的對象生命周期一般較長，所以這一塊區域發生垃圾回收的頻率較低，釋放的空間也較少；
下面正式開始討論JVM中的垃圾回收算法。
2.2 如何識別垃圾
進行垃圾回收的第一步就是找到垃圾（我們這里主要以對象為例），也就是無法被使用的對象。對象在什么情況下無法被使用？很簡單，沒有引用指向這個對象，我們自然無法使用它，比如看下面這段代碼：
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Object a = new Object();
a = null;
}
上面的代碼中，我創建了一個對象，並使用變量a指向這個對象，但是在這之后，我又將null賦給了a，這會出現什么情況？不難發現，我們已經無法使用這個對象了，它已經丟失了，因為我們已經無法通過任何變量去調用這個對象，但是它依然在內存中。此時，這個對象占用着內存就是白白浪費資源，我們希望它被清除。所以，我們可以想到，當一個對象沒有引用指向它時，就可以認為他是一個垃圾對象了。
（1）引用計數法
引用計數法就是通過引用來識別無用對象。我們記錄每一個對象的引用個數，若有新的變量引用一個對象時，這個對象的引用個數加1；若一個引用失效時，引用的個數減1，而引用個數為0的對象，即可作為垃圾被回收。這里要注意，若這些垃圾對象的成員變量引用了其他對象，則當垃圾對象被釋放時，它的這個引用自然就失效了。
這個算法實現簡單，效率也高，但是，它並沒有被用在主流的Java虛擬機中，因為它有一個很大的缺陷——很難解決循環引用的問題。什么是循環引用，看下面一段代碼：
public class Main {
private Object obj;
public static void main(String[] args) {
Main m1 = new Main();
Main m2 = new Main();
// 循環引用
m1.obj = m2;
m2.obj = m1;
m1 = null;
m2 = null;
}
}
上面這段代碼中，創建了兩個對象m1和m2，它們都有一個屬性obj。而m1的obj指向了m2，而m2的obj指向了m1。多個引用形成一個環，這就是循環引用。這對於使用引用計數算法的垃圾回收器來說有一個問題，即上面的代碼最后，m1和m2都置為了空，它們指向的兩個對象已經無法再使用了，但是由於這兩個對象相互引用，導致它們的引用計數並不為0，所以垃圾回收器不會將它們判別為無用對象。正是因為這個問題的存在，Java中的垃圾回收器基本上不使用這個算法。
（2）可達性分析法
可達性分析法是Java垃圾回收中判別無用對象的主要方法。這個方法的步驟是，從根節點對象出發，使用DFS或BFS算法，沿着引用遞歸遍歷，而無法被遍歷到的對象，就是無法再被使用的對象，可以被垃圾回收器回收。所謂的根節點，就是我們能夠直接使用的引用類型變量，如：
- 方法中的參數或局部變量；
- 類的靜態成員或非靜態成員；
- 代碼中的常量；
這種方法的效率相對於引用計數來說相對復雜，而且效率較低，但是解決了循環引用的問題，是Java垃圾回收中主要使用的方法。
2.3 如何釋放垃圾
釋放垃圾指的就是清除無用對象，釋放它們所占的內存空間，方便繼續使用。這里主要介紹三種方法：
- 標記—清除算法；
- 復制算法；
- 標記—整理算法；
這三種算法根據具體情況的不同，搭配使用，才能發揮最好的效果。下面就來一一介紹。
（1）標記—清除算法（Mark-Sweep）
標記—清除是以上上面三種算法中最基礎的一種，為什么說它是最基礎的，因為它的原理非常簡單。故名思意，這個算法分為兩個步驟：（1）標記；（2）清除。
- 標記：標記指的就是我們上面所說的可達性分析，采用之前所說的可達性分析算法遍歷對象，所有不可達的對象將被標記為垃圾，等待回收；
- 清除：這一步很簡單，直接釋放垃圾對象所占內存空間；
這個算法有兩個的問題：
- 效率較低，標記和清除這兩個步驟的效率都比較低，清除的效率低是因為需要掃描整個內存空間，逐個釋放對象所占內存；
- 使用這個算法清除垃圾后，將會造成很多內存碎片，所以可能出現剩余內存較多，但是沒有較大的連續空間，導致大對象無法被分配空間，而再次觸發垃圾回收；
我們通過兩張對比圖來看看這個算法的效果。通過下面這張圖我們可以看到，在垃圾回收后造成了很多的內存碎片。
（2）復制算法（Copying）
為了解決效率較低以及產生內存碎片的問題，有人提出了一個新的算法——復制算法。這個算法的原理是：將內存分為兩個相等大小的區域，一塊存放對象，一塊保留。當存放對象的那塊區域無法再分配空間時，將所有仍然存活的對象復制到保留的那塊區域中，然后直接釋放當前正在使用區域的全部內存。這樣一來，仍然存活的對象被放進保留區，而垃圾對象也被釋放了。同時，之前被使用的空間被清空后，成了新的保留區，而之前的保留區成了被使用的空間，就這樣不斷循環使用兩個空間。
我們之前提過，堆內存被分為新生代和老年代。在新生代中，每次垃圾回收都可以釋放大量的對象，只有少部分存活，所以只有少部分對象要被復制到保留區中，這也意味着復制並不會太耗時。除此之外，直接釋放被使用的空間的全部內存，比一段一段釋放的效率也要高很多。同時，對象被復制到另外一個區域時，會被整齊地擺放，所以不會出現內存碎片，所以能夠更簡單地分配空間。所以，復制算法的效率要遠遠高於標記—清除算法。以下是一張復制算法的演示圖：
但是，這里存在一個問題，復制算法將內存區域划分為相等的兩部分，這也意味着每次都有一半的空間無法被使用，這未免也太浪費了。所以，對於空間的划分，需要做出一些改進。IBM公司的研究表明，98%的對象存活時間都非常的短暫，所以，完全沒有必要保留一半的空間供復制使用。在實際實現中，會將空間划分為三塊區域，一塊較大的Eden空間，以及兩塊較小的Survivor空間。在為新對象分配空間時，首先會將其分配到Eden空間中，若Eden空間無法再分配空間時，將會觸發垃圾回收，此時，會將Eden空間中的存活對象復制到其中一塊Survivor空間中，然后清空Eden空間。當Eden空間再一次因無法分配空間而觸發垃圾回收時，則會將Eden空間中的存活對象，以及上一次被復制進Survivor空間中的存活對象，都復制到另一塊Survivor空間中，然后將Eden和上一塊Survivor清空。也就是說，交替地使用兩塊Survivor空間，來存放垃圾回收中任然存活的對象。而在具體實現中，這三個空間的比例一搬是8：1：1，即是說只有10%的空間無法被使用。
可以看出，這個算法在大部分對象的生命周期都短時，效率會非常高，但是若大部分對象的生命周期都很長，將不再適用，所以這個算法一般只被用在新生代中。這里我們不得不考慮一個問題，當我們使用了上面說的將內存划分為三塊的這種方式時，可能會出現一個問題：如果在某次垃圾回收過后，仍然有大量的對象存活，此時一個Survivor空間不夠存放這些對象怎么辦？這時候就需要有另一個空間來做擔保了，當這種情況發生時，會將這些對象放入另一個空間中，那個空間就叫做擔保空間。就像我們去銀行貸款，需要有一個擔保人，當貸款人不能償還時，由擔保人代為償還。以上算法是用在新生代中，而所謂的擔保空間，實際上就是老年代。老年代為這個算法提供了擔保，但是在大部分情況下，Survivor都是能夠滿足需求的。
（3）標記—整理（Mark-Compact）
由於老年代中的對象一般存活時間都比較長，所以並不適合在老年代使用上面的復制算法進行垃圾回收。而有人根據老年代的特點，提出了標記—整理算法，注意看清楚，這里是整理，而不是第一種算法中的清除。這個算法也分為標記和整理兩個步驟，標記這個步驟和第一個算法是一樣的，關鍵是整理步驟。所謂的整理，就是將內存中還存活的對象向一邊移動，直至這些對象相互靠攏，整齊排列，然后直接清除不屬於這一部分的全部內存。標記—整理的好處是解決內存碎片的問題。以下是這個算法的演示圖：
（4）分代收集算法
分代收集算法並不是什么新思想，而是對上面三種算法的綜合使用。前面也提過，為方便垃圾回收，一般將堆內存分為新生代和老年代兩個部分。
- 對於新生代而言，這一塊區域中的對象存活時間短，每一次垃圾回收都能回收大部分內存，所以適合使用復制算法，同時以老年代作為這個算法的擔保空間；
- 對於老年代而言，每次垃圾回收只能釋放小部分空間，若使用復制算法，每次將需要做大量復制，而且此時
Survivor需要較大的空間，所以不適合使用復制算法，因此在老年代中，一般使用標記—清除或者標記—整理算法；
三、總結
上面對JVM中的垃圾回收算法做了一個比較詳細的介紹，相信看完這一篇博客會對這部分內容有更深的理解。但是，歸根到底，上面的內容只是理論，接下來我將寫一篇博客，來講講JVM具體如何分配和釋放對象，作為JVM系列博客的第三篇。
四、參考
- 《深入理解Java虛擬機》