JVM之【GC-垃圾清除算法】

Java虚拟机（JVM）中的垃圾收集算法主要分为以下几种：

1. 标记-清除算法（Mark-Sweep）
2. 复制算法（Copying）
3. 标记-整理算法（Mark-Compact）
4. 分代收集算法（Generational Collecting）
5. G1垃圾收集器（Garbage-First）
6. ZGC（Z Garbage Collector）
7. Shenandoah垃圾收集器

1. 标记-清除算法（Mark-Sweep）

原理：

• 标记阶段：从根对象开始，遍历整个对象图，标记所有被引用的对象。
• 清除阶段：遍历整个堆，清除未被标记的对象，释放其内存。

优点：

• 直观，简单，适用于任何对象图。

缺点：

• 内存碎片化严重，因为清除阶段并不移动对象，导致堆中可能有大量不连续的可用空间，产生内存碎片。
• 标记和清除阶段都需要扫描整个堆，效率较低。
• GC的时候需要停止整个应用程序，用户体验不好
  

2. 复制算法（Copying）

原理：

• 将堆分为两个等大的区域，每次只使用其中一个。当活动对象达到一定比例时，将活动对象复制到另一个区域，然后清空当前区域。
• 复制过程中保留活动对象，并保持对象的相对位置不变。

优点：

• 没有内存碎片问题，因为每次都会在一个新的区域中重新排列对象。
• 分配速度快，只需分配指针移动。

缺点：

• 需要两倍的内存空间，因为要维持两个区域。
• 对于存活率高的对象，复制成本高。
• 只适用于存活对象少的情况/频繁消亡的情况（非常适合新生代）
  

3. 标记-整理算法（Mark-Compact）

原理：

• 标记阶段：与标记-清除算法相同。
• 整理阶段：将所有存活的对象压缩到堆的一端，保持空间的连续性，然后清理边界以外的内存。

优点：

• 消除内存碎片问题，因为对象都被压缩到一端，剩余空间连续。
• 在整理阶段减少了内存分配的复杂度，消除了复制算法翻倍消耗内存的缺点。

缺点：

• 整理阶段涉及大量对象移动，可能会导致较高的性能开销。
• 效率其实不如复制算法，在对象移动后，其他地方引用了该对象的话，还需要同步修改对象的引用地址
  

前面所有这些算法中，并没有一种算法可以完全替代其他算法，它们都具有自己独特的优势和特点。分代收集算法应运而生。

分代收集算法：是基于这样一个事实:不同的对象的生命周期是不一样的。因此，不同生命周期的对象可以采取不同的收集方式，以便提高回收效率。一般是把Java堆分为新生代和老年代，这样就可以根据各个年代的特点使用不同的回收算法，以提高垃圾回收的效率。

在Java程序运行的过程中，会产生大量的对象，其中有些对象是与业务信息相关，比如Http请求中的Session对象、线程、Socket连接，这类对象跟业务直接挂钩，因此生命周期比较长。但是还有一些对象，主要是程序运行过程中生成的临时变量，这些对象生命周期会比较短，比如:string对象，由于其不变类的特性，系统会产生大量的这些对象，有些对象甚至只用一次即可回收。

4. 分代收集算法（Generational Collecting）

详情请移步堆篇章
JVM之【运行时数据区2——堆】
原理：

• 将堆划分为不同的代（一般为年轻代和老年代）。
• 年轻代使用复制算法，老年代使用标记-清除或标记-整理算法。
• 依据“弱分代假说”，大多数对象很快就会死亡。

优点：

• 优化了垃圾收集的效率，因为年轻代对象存活率低，收集速度快。
• 减少了老年代垃圾收集的频率。

缺点：

• 需要复杂的调优工作，以确定代大小和收集策略。
• 在年轻代和老年代之间的对象移动可能会产生额外的开销。

5. 分区收集算法/G1垃圾收集器（Garbage-First）

• 一般来说，在相同条件下，堆空间越大，一次Gc时所需要的时间就越长，有关GC产生的停顿也越长。为了更好地控制GC产生的停顿时间，将一块大的内存区域分割成多个小块，根据目标的停顿时间，每次合理地回收若干个小区间，而不是整个堆空间，从而减少一次GC所产生的停顿。
• 分代算法将按照对象的生命周期长短划分成两个部分，分区算法将整个堆空间划分成连续的不同小区间。
• 每一个小区间都独立使用，独立回收。这种算法的好处是可以控制一次回收多少个小区间。

原理：

• 将堆分为多个区域（regions），分别处理，优先回收垃圾最多的区域。
• 结合了标记-清除和标记-整理算法，适用于大堆的垃圾收集。

优点：

• 低暂停时间，适合大堆应用。
• 可以并行和并发进行垃圾收集，提升性能。

缺点：

• 相对较复杂的实现和调优。
• 在某些情况下，性能可能不如其他收集器。

6.Shenandoah垃圾收集器

原理：

• 以并发标记和并发整理为基础，最小化垃圾收集对应用线程的影响。
• 使用并发压缩技术减少停顿时间。

优点：

• 低停顿时间，适合延迟敏感应用。
• 高效处理大堆内存。

缺点：

• 复杂的实现和调优。
• 性能可能受限于特定的硬件和JVM版本。

总结

不同垃圾收集算法和垃圾收集器各有优缺点，应根据具体应用需求和硬件环境选择合适的垃圾收集策略。标记-清除和复制算法比较基础，适用于小型或简单应用；分代收集算法适用于大多数常规应用；G1、Shenandoah更适合大内存、低延迟的高性能应用。