【深入理解JVM】（垃圾收集算法） Java虚拟机（JVM)

垃圾收集算法主要有以下几种：标记-清除算法（mark-sweep）、复制算法（copying）和标记-整理算法（mark-compact）。
标记-清除算法算法的执行过程与名字一样，先标记所有需要回收的对象，在标记完成后统一回收所有被标记的对象。该算法有两个问题：

标记和清除过程效率不高。主要由于垃圾收集器需要从GC Roots根对象中遍历所有可达的对象，并给这些对象加上一个标记，表明此对象在清除的时候被跳过，然后在清除阶段，垃圾收集器会从Java堆中从头到尾进行遍历，如果有对象没有被打上标记，那么这个对象就会被清除。显然遍历的效率是很低的
会产生很多不连续的空间碎片，所以可能会导致程序运行过程中需要分配较大的对象的时候，无法找到足够的内存而不得不提前出发一次垃圾回收。

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复制算法复制算法是为了解决标记-清除算法的效率问题的，其思想如下：将可用内存的容量分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块，当这一块内存使用完了，就把存活着的对象复制到另外一块上面，然后再把已使用过的内存空间清理掉。

优点：每次都是对整个半区进行内存回收，内存分配时也就不用考虑内存碎片等复杂情况，只要移动堆顶指针，按顺序分配内存即可，实现简单，运行高效。
缺点：算法的代价是将内存缩小为了原来的一半，未免太高了一点。

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现在的商业虚拟机都采用这种收集算法来回收新生代，新生代中的对象98%是“朝生夕死”的，所以并不需要按照1∶1的比例来划分内存空间，而是将内存分为一块较大的Eden空间和两块较小的Survivor空间，每次使用Eden和其中一块Survivor。
当回收时，将Eden和Survivor中还存活着的对象一次性地复制到另外一块Survivor空间上，最后清理掉Eden和刚才用过的Survivor空间。HotSpot虚拟机默认Eden和Survivor的大小比例是8∶1，也就是每次新生代中可用内存空间为整个新生代容量的90%，只有10%的内存会被“浪费”。
当然，90%的对象可回收只是一般场景下的数据，我们没有办法保证每次回收都只有不多于10%的对象存活，当Survivor空间不够用时（例如，存活的对象需要的空间大于剩余一块Survivor的空间），需要依赖其他内存（这里指老年代）进行分配担保（Handle Promotion）。
标记-整理算法复制收集算法在对象存活率较高时就要进行较多的复制操作，效率将会变低。更关键的是，如果不想浪费50%的空间，就需要有额外的空间进行分配担保，以应对被使用的内存中所有对象都100%存活的极端情况，所以在老年代一般不能直接选用这种算法。
与标记-清除算法过程一样，只不过在标记后不是对未标记的内存区域进行清理，二是让所有的存活对象都向一端移动，然后清理掉边界外的内存。该方法主要用于老年代。

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分代收集算法目前商用虚拟机都使用“分代收集算法”，所谓分代就是根据对象的生命周期把内存分为几块，一般把Java堆中分为新生代和老年代，这样就可以根据对象的“年龄”选择合适的垃圾回收算法。

新生代：“朝生夕死”，存活率低，使用复制算法。
老年代：存活率较高，使用“标记-清除”算法或者“标记-整理”算法。

Hotspot的算法实现 GC Roots与GC停顿我们回到标记-清除算法，在清除阶段，为了枚举未被标记的对象，所以需要从根节点（GC Roots）开始查找引用链，这个过程会导致GC停顿，意思就是在GC的时候Java的执行线程都被停顿，好像被冻结在某一个时间点，也叫“Stop the world”。然而目前主流的Java虚拟机都是用准确式GC（所谓准确式GC，即使虚拟机知道内存中的某个位置的数据是什么类型），当“Stop the world”的时候并不需要检查所有的引用位置，虚拟机通过使用OopMap这个数据结构知道哪些地方存放着对象的引用。
类加载完成后，HotSpot将对象内什么偏移量上是什么类型的数据计算出来；在JIT编译过程中，在特定的位置记录下栈和寄存器（程序计数器）中哪些位置是引用。
安全点使用OopMap，虚拟机已经知道哪些位置存放着对象，从而GC Roots可以迅速的枚举可达对象的引用链。但是问题来了：是不是需要对所有的指令都使用OopMap呢？答案是否定的。实际上，虚拟机只在“特定的位置”记录了对象的引用信息，比如我们使用方法调用或者循环的时候，就会设定这样的位置，如果越过这个位置的继续执行指令，然而程序是不允许因为指令流长度太长而执行过长时间，所以这个“特定位置“就成为了程序是否具有长时间运行的分界点。这个”特定的位置“也称为安全点（SafePoint）。
主动式中断线程现在虚拟机有了安全点，于是只会到安全点寻找对象的引用信息，并且在安全点暂停Java执行线程，然而还有一个问题如何在GC发生时让所有线程（不包括JNI调用的线程）都“跑”到最近的安全点上再停顿下来？
【【深入理解JVM】（垃圾收集算法）】在Hotspot使用主动式中断来中断执行线程，其思想如下：当GC的时候不需要直接对线程操作以中断线程，仅仅是设置一个标志，然后让执行线程去轮询这个标志，发现中断标志为真的时候就自己中断线程。需要注意的是，轮询标志的地方与安全点的位置是重合的，另外再加上创建对象需要分配的地方。
安全区域现在通过GC Roots和安全点，程序能够在不太长的时间就可以到达安全点，并暂停执行线程。那么如果程序在阻塞（Blocked）或者睡眠（Sleep）的状态的时候，执行线程如何中断呢？
JVM设置了安全区域（Safe Region）。安全区域可以看成是被扩展了的安全点，是指在这个区域内，对象的引用关系不会发生改变，在这个区域内的任何地方开始GC都是安全的。
参考
1、周志明，深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践，机械工业出版社