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标记-清除算法如其名整个过程分为两个明确的阶段 标记阶段 遍历所有可达对象从 GC Roots 开始标记它们为“存活”。 清除阶段 遍历整个堆内存回收所有未被标记为“存活”的对象所占用的空间。
算法步骤详解 暂停应用程序线程 垃圾回收过程通常需要暂停所有应用程序线程这被称为 “Stop-The-World” 停顿。这是为了确保在标记过程中对象引用关系不会发生变化保证垃圾回收的正确性。标记-清除算法的 STW 时间主要发生在标记阶段也可能在清除阶段。 标记阶段 起点 从一组称为 “GC Roots” 的根对象开始。GC Roots 通常包括 虚拟机栈栈帧中的局部变量表中引用的对象。 方法区中类静态属性引用的对象。 方法区中常量引用的对象如字符串常量池里的引用。 本地方法栈中 JNI即 Native 方法引用的对象。 所有被同步锁持有的对象。 JVM 内部引用如系统类加载器、基本类型对应的 Class 对象。 遍历 以 GC Roots 为起点通过引用链进行遍历。可以使用深度优先搜索或广度优先搜索。 访问一个对象。 将其标记为“存活”通常是在对象头中设置一个标记位。 递归地访问并标记这个对象引用的所有其他对象。 结果 所有从 GC Roots 可达的对象都会被标记为“存活”。而无法从任何 GC Roots 访问到的对象则被认为是“垃圾”。 清除阶段 遍历堆 线性或按某种顺序遍历整个堆内存的地址空间。 回收垃圾 对于堆中的每一个位置或对象 如果该位置的对象未被标记为存活则认为它是垃圾。 回收该对象占用的内存空间。回收通常不是立即“擦除”数据而是将这个空间记录到一个空闲列表中供后续新对象分配使用。 重置标记 在清除阶段结束前或下一次 GC 开始时需要将所有存活对象的标记位清除复位为下一次垃圾回收做准备。
关键特点与优缺点 优点 概念简单易于理解 算法流程非常直观。 实现相对容易 早期的垃圾收集器常采用此算法。 无对象移动开销 在清除阶段存活对象的位置没有发生移动。这对于大对象或存活时间长的对象如老年代对象来说是个优势避免了复制带来的开销。 空间利用率理论上 回收的内存可以立即放入空闲列表供分配。 缺点 内存碎片 这是标记-清除算法最严重的问题。 清除阶段回收的内存空间散布在堆的各个角落。 这些空闲内存块大小不一且彼此不连续。 当需要为新对象分配一块连续的较大内存空间时即使总的空闲内存足够也可能因为找不到足够大的连续空间而触发另一次垃圾回收甚至导致 OutOfMemoryError。 效率问题 标记阶段需要遍历所有存活对象清除阶段需要遍历整个堆包括存活对象和垃圾对象。对于大堆这两个遍历过程都可能比较耗时导致较长的 STW 停顿时间。 效率通常与存活对象的数量标记阶段和堆的总大小清除阶段成正比。存活对象越多堆越大GC 时间越长。 分配效率 由于存在内存碎片分配新对象时需要遍历空闲列表Free List来寻找合适大小的空闲块。这比从连续空间如复制算法中的 To 区分配要慢。 空间浪费 碎片本身导致一部分空间无法被有效利用。
应用场景与演变 早期应用 在 JVM 发展初期标记-清除算法是基础实现。 现代收集器中的角色 纯粹的标记-清除算法在现代 JVM 中很少单独使用主要因为其碎片问题。 CMS 收集器 其老年代回收的核心部分称为“并发标记清除”就是基于标记-清除算法的改进。 初始标记 短暂 STW标记从 GC Roots 直接关联的对象。 并发标记 与应用线程并发执行遍历对象图进行标记。 重新标记 短暂 STW修正并发标记期间因应用线程运行导致引用变化的对象标记。 并发清除 与应用线程并发执行回收垃圾对象基于标记结果。 CMS 的缺点 仍然会产生内存碎片。为了解决这个问题CMS 会在一定次数的 Full GC 后或者碎片达到阈值时退回到使用 Serial Old 收集器一种“标记-整理”算法进行一次带压缩的 Full GC 来整理老年代空间。 G1 / ZGC / Shenandoah 这些现代收集器采用了更复杂的分区Region和并发标记技术。它们本质上仍然需要标记阶段来确定存活对象。但在清除/回收阶段它们采用了不同的策略如复制、整理到不同的 Region来避免或显著减少传统标记-清除带来的碎片问题并实现更低的停顿时间目标。
总结
标记-清除算法是垃圾回收的基础其核心的“标记可达对象 - 清除不可达对象”的思想是几乎所有现代垃圾收集器的基石。它的简单性和无移动开销是其优点但内存碎片和效率问题是其致命弱点。因此现代 JVM 垃圾收集器要么避免直接使用纯粹的标记-清除如新生代普遍用复制算法要么在其基础上进行重大改进如 CMS 的并发执行、G1/ZGC/Shenandoah 的分区复制/整理来解决碎片问题并降低停顿时间。
