JVM中垃圾收集算法

引言

垃圾收集是Java虚拟机（JVM）的重要功能之一，它负责自动回收不再使用的内存资源，提高应用程序的性能和可靠性。垃圾收集算法是实现垃圾收集的核心，本文将介绍JVM中常见的垃圾收集算法及其特点。

1. 垃圾收集算法分类

根据垃圾收集的方式和策略，常见的垃圾收集算法可以分为以下几类：

1.1 标记-清除算法（Mark-Sweep）

标记-清除算法是最基本的垃圾收集算法，分为两个阶段。首先，从根对象开始，通过可达性分析算法标记所有被引用的对象。然后，遍历整个堆，清除未被标记的对象，释放内存。

该算法的优点是简单，可以处理循环引用的情况。然而，它存在内存碎片问题，清除后会产生不连续的内存空间。

1.2 复制算法（Copying）

复制算法将堆内存分为两个大小相等的区域，每次只使用其中一个区域。当一个区域的对象使用完毕后，将存活的对象复制到另一个区域，然后清除当前区域的所有对象。

该算法的优点是简单高效，不会产生内存碎片。然而，它浪费了一半的内存空间，并且无法处理大量存活对象的情况。

1.3 标记-压缩算法（Mark-Compact）

标记-压缩算法结合了标记-清除算法和复制算法的优点。首先，通过可达性分析算法标记所有被引用的对象。然后，将存活的对象压缩到堆的一端，清除其他对象。

该算法的优点是可以处理大量存活对象的情况，并且不会产生内存碎片。然而，它需要额外的压缩操作，影响性能。

1.4 分代收集算法（Generational）

分代收集算法基于分代假设：大部分对象的生命周期很短，而只有少部分对象的生命周期很长。根据对象的年龄将堆内存划分为多个代，每个代使用不同的收集算法。

通常将堆内存划分为年轻代和老年代。年轻代使用复制算法，因为大部分对象都是短暂的，复制算法可以高效地回收对象。老年代使用标记-压缩算法，因为老年代的对象生命周期较长，标记-压缩算法可以处理大量存活生命周期较短，而少部分对象的生命周期较长。根据这个假设，分代收集算法将堆分为不同的代，每个代使用不同的垃圾收集算法。

通常将堆分为新生代（Young Generation）和老年代（Old Generation）。新生代使用复制算法，因为大部分对象的生命周期较短，可以通过复制算法快速清理。老年代使用标记-压缩算法，因为老年代的对象生命周期较长，需要更高效的垃圾收集算法。

分代收集算法的优点是根据对象的生命周期选择不同的垃圾收集算法，提高了垃圾收集的效率。然而，需要额外的代间引用处理和内存拷贝操作。

2. JVM中常见的垃圾收集器

JVM中有多种垃圾收集器可供选择，每个收集器都有不同的特点和适用场景。

2.1 Serial收集器

Serial收集器是最古老、最简单的垃圾收集器，它使用复制算法进行新生代的垃圾收集。它是单线程的，只使用一个CPU核心进行垃圾收集，适用于单核或小型应用场景。

2.2 ParNew收集器

ParNew收集器是Serial收集器的多线程版本，它使用复制算法进行新生代的垃圾收集。它可以利用多个CPU核心进行并行垃圾收集，提高了垃圾收集的效率。

2.3 Parallel收集器

Parallel收集器是新生代的并行垃圾收集器，它使用复制算法进行新生代的垃圾收集。它可以利用多个CPU核心进行并行垃圾收集，适用于多核服务器应用场景。

2.4 CMS收集器

CMS（Concurrent Mark-Sweep）收集器是老年代的并发垃圾收集器，它使用标记-清除算法进行垃圾收集。它可以在应用程序运行的同时进行垃圾收集，减少了垃圾收集的停顿时间。然而，CMS收集器会产生内存碎片，并且需要更多的CPU资源。

2.5 G1收集器

G1（Garbage First）收集器是一种面向服务端应用的垃圾收集器，它使用标记-压缩算法进行垃圾收集。它将堆分为多个大小相等的区域（Region），根据垃圾量动态选择垃圾收集的区域，以减少垃圾收集的停顿时间和内存碎片。

G1收集器具有可预测的停顿时间，能够在有限的时间内完成垃圾收集。它通过并发的方式进行垃圾收集，减少了停顿时间，适用于大内存、多核服务器应用场景。

除了上述常见的垃圾收集器，JVM还提供了一些特殊用途的垃圾收集器，如Serial Old收集器、Parallel Old收集器和ZGC收集器等。这些收集器在特定的场景下具有特殊的优势和适用性。

总结来说，JVM中的垃圾收集器根据对象的生命周期和应用场景的需求选择不同的算法和策略，以提高垃圾收集的效率和性能。