我們分析了引用計(jì)數(shù)、復(fù)制、標(biāo)記-清除和標(biāo)記-整理這些經(jīng)典的JVM垃圾收集技術(shù)。其中每一種方法在特定條件下都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。JVM1.2及以后版本使用的技術(shù)稱(chēng)為分代JVM垃圾收集（generationalgarbagecollection）,它結(jié)合了這兩種技術(shù)以結(jié)合二者的長(zhǎng)處，結(jié)果就是對(duì)象分配開(kāi)銷(xiāo)非常小。

JVM1.4.1中的垃圾收集

我們分析了引用計(jì)數(shù)、復(fù)制、標(biāo)記-清除和標(biāo)記-整理這些經(jīng)典的JVM垃圾收集技術(shù)。其中每一種方法在特定條件下都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。例如，當(dāng)有很多對(duì)象成為垃圾時(shí)，復(fù)制可以做得很好，但是有許多長(zhǎng)壽對(duì)象時(shí)它就變得很糟（要反復(fù)復(fù)制它們）。相反，標(biāo)記-整理對(duì)于長(zhǎng)壽對(duì)象可以做得很好（只復(fù)制一次），但是當(dāng)有許多短壽對(duì)象時(shí)就沒(méi)有那么好了。JVM1.2及以后版本使用的技術(shù)稱(chēng)為分代JVM垃圾收集（generationalgarbagecollection）,它結(jié)合了這兩種技術(shù)以結(jié)合二者的長(zhǎng)處，結(jié)果就是對(duì)象分配開(kāi)銷(xiāo)非常小。

老對(duì)象和年輕對(duì)象

在任何一個(gè)應(yīng)用程序堆中，一些對(duì)象在創(chuàng)建后很快就成為垃圾，另一些則在程序的整個(gè)運(yùn)行期間一直保持生存。經(jīng)驗(yàn)分析表明，對(duì)于大多數(shù)面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言，包括Java語(yǔ)言，絕大多數(shù)對(duì)象――可以多達(dá)98%（這取決于您對(duì)年輕對(duì)象的衡量標(biāo)準(zhǔn)）是在年輕的時(shí)候死亡的?？梢杂脮r(shí)鐘秒數(shù)、對(duì)象分配以后�h內(nèi)存管理子系統(tǒng)分配的總字節(jié)或者對(duì)象分配后經(jīng)歷的JVM垃圾收集的次數(shù)來(lái)計(jì)算對(duì)象的壽命。但是不管您如何計(jì)量，分析表明了同一件事――大多數(shù)對(duì)象是在年輕的時(shí)候死亡的。大多數(shù)對(duì)象在年輕時(shí)死亡這一事實(shí)對(duì)于收集器的選擇很有意義。特別是，當(dāng)大多數(shù)對(duì)象在年輕時(shí)死亡時(shí)，復(fù)制收集器可以執(zhí)行得相當(dāng)好，因?yàn)閺?fù)制收集器完全不訪(fǎng)問(wèn)死亡的對(duì)象，它們只是將活的對(duì)象復(fù)制到另一個(gè)堆區(qū)域中，然后一次性收回所有的剩余空間。

那些經(jīng)歷過(guò)***次JVM垃圾收集后仍能生存的對(duì)象，很大部分會(huì)成為長(zhǎng)壽的或者***的對(duì)象。根據(jù)短壽對(duì)象和長(zhǎng)壽對(duì)象的混合比例，不同JVM垃圾收集策略的性能會(huì)有非常大的差別。當(dāng)大多數(shù)對(duì)象在年輕時(shí)死亡時(shí)，復(fù)制收集器可以工作得很好，因?yàn)槟贻p時(shí)死亡的對(duì)象永遠(yuǎn)不需要復(fù)制。不過(guò)，復(fù)制收集器處理長(zhǎng)壽對(duì)象卻很糟糕，它要從一個(gè)半空間向另一個(gè)半空間反復(fù)來(lái)回復(fù)制這些對(duì)象。相反，標(biāo)記-整理收集器對(duì)于長(zhǎng)壽對(duì)象可以工作得很好，因?yàn)殚L(zhǎng)壽對(duì)象趨向于沉在堆的底部，從而不用再?gòu)?fù)制。不過(guò)，標(biāo)記-清除和標(biāo)記-理整收集器要做很多額外的分析死亡對(duì)象的工作，因?yàn)樵谇宄A段它們必須分析堆中的每一個(gè)對(duì)象。

分代收集

分代收集器(generializationalcollector)將堆分為多個(gè)代。在年輕的代中創(chuàng)建對(duì)象，滿(mǎn)足某些提升標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)象，如經(jīng)歷了特定次數(shù)JVM垃圾收集的對(duì)象，將被提升到下一更老的代。分代收集器對(duì)不同的代可以自由使用不同的收集策略，對(duì)各代分別進(jìn)行JVM垃圾收集。

小的收集

分代收集的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它不同時(shí)收集所有的代，因此可以使JVM垃圾收集暫停更短。當(dāng)分配器不能滿(mǎn)足分配請(qǐng)求時(shí)，它首先觸發(fā)一個(gè)小的收集（minorcollection），它只收集最年輕的代。因?yàn)槟贻p代中的許多對(duì)象已經(jīng)死亡，復(fù)制收集器完全不用分析死亡的對(duì)象，所以小的收集的暫?？梢韵喈?dāng)短并通?？梢曰厥沾罅康亩芽臻g。如果小的收集釋放了足夠的堆空間，那么用戶(hù)程序就可以立即恢復(fù)。如果它不能釋放足夠的堆空間，那么它就繼續(xù)收集上一代，直到回收了足夠的內(nèi)存。（在JVM垃圾收集器進(jìn)行了全部收集以后仍不能回收足夠的內(nèi)存時(shí)，它將擴(kuò)展堆或者拋出OutOfMemoryError）。

代間引用

跟蹤JVM垃圾收集器，如復(fù)制、標(biāo)記-清除和標(biāo)記-整理等JVM垃圾收集器,都是從根集（rootset）開(kāi)始掃描，遍歷對(duì)象間的引用，直到訪(fǎng)問(wèn)了所有活的對(duì)象。

分代跟蹤收集器從根集開(kāi)始，但是并不遍歷指向更老一代中對(duì)象的引用，這減少了要跟蹤的對(duì)象圖的大小。但是這也帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題――如果更老一代中的對(duì)象引用一個(gè)不能通過(guò)從根開(kāi)始的所有其他引用鏈到達(dá)的更年輕的對(duì)象該怎么辦？

為了解決這個(gè)問(wèn)題，分代收集器必須顯式地跟蹤從老對(duì)象到年輕對(duì)象的引用并將這些老到年輕的引用加入到小的收集的根集中。有兩種創(chuàng)建從老對(duì)象到年輕對(duì)象的引用的方法。要么是將老對(duì)象中包含的引用修改為指向年輕對(duì)象，要么是將引用其他年輕對(duì)象的年輕對(duì)象提升為更老的一代。#p#

跟蹤代間引用

不管一個(gè)老到年輕的引用是通過(guò)提升還是指針修改創(chuàng)建的，JVM垃圾收集器在進(jìn)行小的收集時(shí)需要有全部老到年輕的引用。做到這一點(diǎn)的一種方法是跟蹤老的代，但是這顯然有很大的開(kāi)銷(xiāo)。更好的一種方法是線(xiàn)性?huà)呙枥系拇圆檎覍?duì)年輕對(duì)象的引用。這種方法比跟蹤更快并有更好的區(qū)域性（locality），但是仍然有很大的工作量。

賦值函數(shù)（mutator）和JVM垃圾收集器可以共同工作以在創(chuàng)建老到年輕的引用時(shí)維護(hù)它們的完整列表。當(dāng)對(duì)象提升為更老一代時(shí)，JVM垃圾收集器可以記錄所有由于這種提升而創(chuàng)建的老到年輕的引用，這樣就只需要跟蹤由指針修改所創(chuàng)建的代間引用。

JVM垃圾收集器可以有幾種方法跟蹤由于修改現(xiàn)有對(duì)象中的引用而產(chǎn)生的老到年輕的引用。它可以使用在引用計(jì)數(shù)收集器中維護(hù)引用計(jì)數(shù)的同樣方法（編譯器可以生成圍繞指針賦值的附加指令）跟蹤它們，也可以在老一代堆上使用虛擬內(nèi)存保護(hù)以捕獲向老對(duì)象的寫(xiě)入。另一種可能更有效的虛擬內(nèi)存方法是在老一代堆中使用頁(yè)修改臟位（pagemodificationdirtybit），以確定為找到包含老到年輕指針的對(duì)象時(shí)要掃描的塊。

用一點(diǎn)小技巧，就可以避免跟蹤每一個(gè)指針修改并檢查它是否跨越代邊界的開(kāi)銷(xiāo)。例如，不需要跟蹤針對(duì)本地或者靜態(tài)變量的存儲(chǔ)，因?yàn)樗鼈円呀?jīng)是根集的一部分了。也可以避免跟蹤存儲(chǔ)在某些構(gòu)造函數(shù)中的指針，這些構(gòu)造函數(shù)只用于初始化新建對(duì)象的字段（即所謂初始化存儲(chǔ)（initializingstores）），因?yàn)椋◣缀酰┧袑?duì)象都是分配到年輕代中。不管是什么情況，運(yùn)行庫(kù)都必須維護(hù)一個(gè)老對(duì)象到年輕對(duì)象的引用集并在收集年輕代時(shí)將這些引用添加到根集中。

在圖1中，箭頭表示堆中對(duì)象間的引用。紅色箭頭表示必須添加到根集中供小的收集使用的老到年輕的引用。藍(lán)色箭頭表示從根集或者年輕代到老對(duì)象的引用，在只收集年輕代時(shí)不需要跟蹤它們。

卡片標(biāo)記

SunJDK使用一種稱(chēng)為卡片標(biāo)記（cardmarking）算法的改進(jìn)算法以標(biāo)識(shí)對(duì)老一代對(duì)象的字段中包含的指針的修改。在這種方法中，堆分為一組卡片，每個(gè)卡片一般都小于一個(gè)內(nèi)存頁(yè)。JVM維護(hù)著一個(gè)卡片映射，對(duì)應(yīng)于堆中的每一個(gè)卡片都有一個(gè)位（在某些實(shí)現(xiàn)中是一個(gè)字節(jié)）。每次修改堆中對(duì)象中的指針字段時(shí)，就在卡片映射中設(shè)置對(duì)應(yīng)那張卡片的相應(yīng)位。在JVM垃圾收集時(shí)，就對(duì)與老一代中卡片相關(guān)聯(lián)的標(biāo)記位進(jìn)行檢查，對(duì)臟的卡片掃描以尋找對(duì)年輕代有引用的對(duì)象。然后清除標(biāo)記位。卡片標(biāo)記有幾項(xiàng)開(kāi)銷(xiāo)――卡片映射所需的額外空間、對(duì)每一個(gè)指針存儲(chǔ)所做的額外工作，以及在JVM垃圾收集時(shí)做的額外工作。對(duì)每一個(gè)非初始化堆指針存儲(chǔ)，卡片標(biāo)記算法可以只增加兩到三個(gè)機(jī)器指令，并要求在小的收集時(shí)對(duì)所有臟卡片上的對(duì)象進(jìn)行掃描。#p#

JDK1.4.1默認(rèn)收集器

在默認(rèn)情況下，JDK1.4.1將堆分為兩部分，一個(gè)年輕的代和一個(gè)老的代（實(shí)際上，還有第三部分――***空間，它用于存儲(chǔ)裝載的類(lèi)和方法對(duì)象）。借助于復(fù)制收集器，年輕的代又分為一個(gè)創(chuàng)建空間（通常稱(chēng)為Eden）和兩個(gè)生存半空間。

老的代使用標(biāo)記-整理收集器。對(duì)象在經(jīng)歷了幾次復(fù)制后提升到老的代。小的收集將活的對(duì)象從Eden和一個(gè)生存半空間復(fù)制到另一個(gè)生存半空間，并可能提升一些對(duì)象到老的代。大的收集（majorcollection）既會(huì)收集年輕的代，也會(huì)收集老的代。System.gc()方法總是觸發(fā)一個(gè)大的收集，這就是應(yīng)該盡量少用（如果不能完全不用的話(huà)）System.gc()的原因之一，因?yàn)榇蟮氖占刃〉氖占ㄙM(fèi)長(zhǎng)得多的時(shí)間。沒(méi)有辦法以編程方式觸發(fā)小的收集。

其他收集選項(xiàng)

除了默認(rèn)情況下使用的復(fù)制收集器和標(biāo)記-整理收集器，JDK1.4.1還包含其他四種JVM垃圾收集算法，每一種適用于不同的目的。JDK1.4.1包含一個(gè)增量收集器（自JDK1.2就已經(jīng)出現(xiàn)了）和三種在多處理器系統(tǒng)中進(jìn)行更有效收集的新收集器――并行復(fù)制收集器、并行清除（scavenging）收集器和并發(fā)標(biāo)記-清除收集器。這些新收集器是為了解決在多處理器系統(tǒng)中JVM垃圾收集器成為伸縮性瓶頸這一問(wèn)題的。圖2顯示了在什么時(shí)候選擇備用收集選項(xiàng)的指導(dǎo)。

增量收集

增量收集選項(xiàng)自1.2起就成為JDK的一部分。增量收集減少了JVM垃圾收集暫停，以犧牲吞吐能力為代價(jià)，這使它只在更短的收集暫停非常重要時(shí)才值得考慮，如接近實(shí)時(shí)的系統(tǒng)。

Train算法是JDK用于增量收集的算法，它在堆中老的代和年輕的代之間創(chuàng)建一個(gè)新區(qū)域。這些堆區(qū)域劃分為“火車(chē)（train）”，每個(gè)火車(chē)又分為一系列的“車(chē)廂（car）”。每個(gè)車(chē)廂可以分別收集。結(jié)果，每個(gè)火車(chē)車(chē)廂組成單獨(dú)的一代，這意味著不但要跟蹤老到年輕的引用，而且還要跟蹤從老的火車(chē)到年輕的火車(chē)以及老的車(chē)廂到年輕的車(chē)廂的引用。這為賦值函數(shù)（mutator）和JVM垃圾收集器帶來(lái)了大量的額外工作，但是可以得到更短的收集暫停。#p#

并行收集器和并發(fā)收集器

JDK1.4.1中新的收集器都是為解決多處理器系統(tǒng)中JVM垃圾收集器的問(wèn)題而設(shè)計(jì)的。因?yàn)榇蠖鄶?shù)JVM垃圾收集算法會(huì)在一段時(shí)間里使系統(tǒng)停止，單線(xiàn)程的收集器很快會(huì)成為伸縮性瓶頸，因?yàn)樵贘VM垃圾收集器將用戶(hù)程序線(xiàn)程掛起時(shí)，除了一個(gè)處理器之外，其他的處理器都是空閑的。新收集器中的兩個(gè)――并行復(fù)制收集器和并發(fā)標(biāo)記-清除收集器――設(shè)計(jì)為減少收集暫停時(shí)間。另一個(gè)是并行清除收集器，它是為在大堆上的更高吞吐能力而設(shè)計(jì)的。

并行復(fù)制收集器用JVM選項(xiàng)-XX:+UseParNewGC啟用，是一個(gè)年輕代復(fù)制收集器，它將JVM垃圾收集的工作分為與CPU數(shù)量一樣多的線(xiàn)程。并發(fā)標(biāo)記-清除收集器由-XX:+UseConcMarkSweepGC選項(xiàng)啟用，它是一個(gè)老代標(biāo)記-清除收集器，它在初始標(biāo)記階段（及在以后暫短重新標(biāo)記階段）暫短地停止整個(gè)系統(tǒng)，然后恢復(fù)用戶(hù)程序，同時(shí)JVM垃圾收集器線(xiàn)程與用戶(hù)程序并發(fā)地執(zhí)行。并行復(fù)制收集器和并發(fā)標(biāo)記-清除收集器基本上是默認(rèn)的復(fù)制收集器和標(biāo)記-整理收集器的并發(fā)版本。由-XX:+UseParallelGC啟用的并行清除收集器是年輕代收集器，針對(duì)多處理器系統(tǒng)上非常大(吉字節(jié)以及更大的)堆進(jìn)行了優(yōu)化。

選擇一種算法

有六種算法可以選擇，您可能不知道要使用哪一種。圖2提供了一些指導(dǎo)，將收集器分為單線(xiàn)程和并發(fā)的，以及分為短暫停和高吞吐能力的。只要您掌握了應(yīng)用程序和部署環(huán)境的信息，就足以選擇合適的算法。對(duì)于許多應(yīng)用程序，默認(rèn)的收集器可以工作得很好――因此如果您沒(méi)有性能問(wèn)題，那么就沒(méi)必要加入更多的復(fù)雜性。不過(guò)，如果您的應(yīng)用程序是部署在多處理器系統(tǒng)上或者使用非常大的堆，那么改變收集器選項(xiàng)可能會(huì)有巨大的性能提升。

微調(diào)JVM垃圾收集器

JDK1.4.1還包括大量的微調(diào)JVM垃圾收集的選項(xiàng)。調(diào)整這些選項(xiàng)并衡量它們的效果可能會(huì)花費(fèi)您大量時(shí)間，因此在試圖微調(diào)JVM垃圾收集器之前先對(duì)您的應(yīng)用程序進(jìn)行徹底的配置（profile）和優(yōu)化，這樣您的微調(diào)工作可能會(huì)得到更好的結(jié)果。

微調(diào)JVM垃圾收集首先要做的是檢查冗長(zhǎng)的GC輸出。這會(huì)使您得到JVM垃圾收集操作的頻率、定時(shí)和持續(xù)時(shí)間等信息。最簡(jiǎn)單的JVM垃圾收集微調(diào)就是擴(kuò)大***堆的大?。?Xmx）。隨著堆的增大，復(fù)制收集會(huì)變得更有效，所以在增大堆時(shí)，您就減少了每個(gè)對(duì)象的收集成本。除了增加***堆的大小，還可以用選項(xiàng)-XX:NewRatio增加分配給年輕代的空間份額。也可以用-Xmn選項(xiàng)顯式指定年輕代的大小。

結(jié)束語(yǔ)

隨著JVM的發(fā)展，默認(rèn)JVM垃圾收集器變得越來(lái)越好了。JDK1.2及以后版本所使用的分代JVM垃圾收集器提供了比早期JDK所使用的標(biāo)記-清除-整理收集器好得多的分配和收集性能。JDK1.4.1通過(guò)增加新的針對(duì)多處理器系統(tǒng)和非常大的堆的多線(xiàn)程收集選項(xiàng)，進(jìn)一步改進(jìn)了JVM垃圾收集的效率。

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