28. 常见GC算法有哪些？标记-清除、复制、标记-整理有何区别？

标准答案

Java 中的常见垃圾回收算法有 标记-清除算法、复制算法、标记-整理算法，它们分别以不同的方式回收不再使用的对象。

• 标记-清除算法：标记所有需要回收的对象，然后清除它们，存在碎片问题。
• 复制算法：将内存分为两个区域，使用一个区域存储活动对象，回收时将活动对象复制到另一区域，减少碎片。
• 标记-整理算法：标记需要回收的对象，接着将存活对象整理到一端，清除未使用的内存，避免碎片问题。

答案解析

1. 标记-清除算法（Mark-and-Sweep）

标记-清除算法是最基础的垃圾回收算法，其工作原理如下：

• 标记阶段：遍历所有对象，标记那些可达的对象（即存活的对象）。这通常通过可达性分析来完成，从GC Root出发，沿着引用链遍历标记可达的对象。
• 清除阶段：清除所有未标记的对象，即不可达的对象。

问题：标记-清除算法的一个明显问题是 碎片化，因为回收过程中不会移动对象，只是标记和清除对象，这会导致内存中存留大量空闲空间（即内存碎片）。随着时间的推移，这会影响内存的使用效率，甚至导致无法分配足够的内存。

2. 复制算法（Copying）

复制算法通过将内存分为两部分，分别为 From Space 和 To Space。每次垃圾回收时，活动对象会从 From Space 复制到 To Space。其工作原理如下：

• 分配阶段：内存分为两部分，每部分用于存储活动对象。活动对象存放在当前的 From Space 中。
• 回收阶段：当垃圾回收发生时，所有存活对象会被复制到 To Space，然后清空 From Space。
• 优势：没有内存碎片，因为每次回收都将存活对象移动到连续的内存区域。
• 问题：该算法的内存利用率只有 50%，因为每次只能使用其中的一部分内存，另一部分则用作备用。

优化方式：常用于年轻代的垃圾回收，GC时只需要对年轻代进行回收，分配较为高效。

3. 标记-整理算法（Mark-Compact）

标记-整理算法结合了标记-清除算法的标记阶段和复制算法的整理阶段。其工作原理如下：

• 标记阶段：与标记-清除算法相同，标记所有存活的对象。
• 整理阶段：不同于标记-清除算法，标记-整理算法会将所有存活对象移动到内存的一端，紧凑的排列在一起，然后清除剩余的空闲内存区域。

优势：解决了标记-清除算法的内存碎片问题，避免了内存被碎片化，从而更高效地利用内存。

问题：整理阶段需要对对象进行移动，这会带来额外的开销。

4. 各算法的优缺点对比

• 标记-清除算法：

  • 优点：简单、易于理解。
  • 缺点：存在内存碎片问题，效率较低。

• 复制算法：

  • 优点：解决了内存碎片问题，适合短生命周期的对象。
  • 缺点：内存利用率较低（只有一半的内存可用），且回收时需要复制所有存活对象。

• 标记-整理算法：

  • 优点：避免了碎片化，内存利用率较高。
  • 缺点：对象需要移动，增加了回收的时间开销。

5. 最佳实践

• 新生代使用复制算法：由于新生代的对象生命周期较短，复制算法可以高效地回收新生代对象，避免碎片化问题。
• 老年代使用标记-整理算法：老年代对象的生命周期较长，标记-整理算法适合于老年代的垃圾回收，避免内存碎片并提高内存利用率。
• GC 参数调优：通过调整 JVM 参数（如 -XX:NewRatio、-Xms、-Xmx 等）来优化不同区域的垃圾回收策略，以减少GC的影响。

深入追问

• 在不同的应用场景中，如何根据对象生命周期来选择不同的垃圾回收算法？
• 为什么常用的 JVM 使用 分代回收 机制，将复制算法与标记-整理算法结合使用？
• 如何分析 JVM 在进行标记-清除和标记-整理过程中可能带来的性能瓶颈？

相关面试题

• Java 中的垃圾回收算法是如何演化的？
• 什么是分代垃圾回收？如何优化新生代和老年代的垃圾回收？
• Java 中的垃圾回收器（如 G1、CMS、ParallelGC）是如何选择合适的算法来进行内存回收的？