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分代收集理论

分代收集理论是Java垃圾回收机制中的核心理论之一，主要描述对象在不同代中的存活特性及其对垃圾回收策略的影响。

弱分代假说(Weak Generational Hypothesis)

绝大多数对象的生命周期较短，都是朝生夕灭的。强分代假说则与之形成对比，认为熬过越多次垃圾收集过程的对象越难消亡。

强分代假说(Strong Generational Hypothesis)

对象的分代能力直接影响其存活概率。

跨代引用假说(Intergenerational Reference Hypothesis)

跨代引用关系相对同代引用占比极低。

跨代引用假说的解决方案包括建立记忆集(Referenced Set)，将老年代划分为若干小块，标识跨代引用存在的老年代内存区域。Minor GC时，只有包含跨代引用的内存块被加入GC Roots扫描范围。

各类收集方式

垃圾回收适用于非实时内存管理体系，主要收集方式有以下几种：

新生代收集(Minor GC/Young GC)

目标新生代的垃圾回收，适用于新生代占总堆内存的大多比例的情况。

老年代收集(Major GC/Old GC)

收集老年代的垃圾，仅有部分收集器支持。

混合收集(Mixed GC)

收集新生代全部与部分老年代，主要由G1收集器完成。

整堆收集(Full GC)

收集新生代、老年代及方法区，全盘清扫，适用于内存分配缓慢的情况。

标记-清除算法

标记-清除是垃圾回收的基础算法，主要程序逻辑为：

其缺点主要表现在：

• 效率低下：大量可回收对象时，标记和清除耗时较长；
• 空间碎片化：标记清除后堆内存分散，可能导致内存碎片。

标记-复制算法

针对标记-清除的效率问题，引入复制算法：

• 分区方式：将堆分为两半，使用一半存活对象，另一半待定期清理；
• 复制与清理：存活对象复制至另一区域后，清理已使用区域。

该算法优点：

• 实现较简单，执行效率高；
• 内存占用减半（新生代常用）。

HotSpot虚拟机将新生代划分为Eden(起始空间)和两块Survivor空间。垃圾回收时，将Eden和使用过的Survivor复制至另一Survivor空间，清理已用区域。

标记-整理算法

针对对象存活率高的问题，采用标记-整理算法：

优点：

• 内存利用率高（无空间浪费）；缺点：
• 对大规模存活对象的移动要求高udge，不易处理。

整理算法的另一特点：

• 不会导致大量Stop The World停顿，适合吞吐量优先的环境。

根节点枚举

根节点枚举是垃圾收集的起点，确保回收对象的强一致性。

• GC Roots：
  • 全局引用（常量、静态字段）；
  • 执行上下文（栈、本地方法变量）。

实现方式：

• 使用OopMap数据结构记录执行上下文中的堆指针；
• GC过程中快速扫描OopMap即可完成根节点枚举。

安全点

为规避Root枚举对用户线程的干扰，引入安全点概念：

• 安全点定义：指令序列具有长时间执行潜力，通常与方法调用、循环、异常处理相关。
• 垃圾收集中断：
  • 抢先式中断：强制中断用户线程（不主动等待安全点）。
  • 主动式中断：用户线程轮询中断标志，自行挂起至安全点。

安全区域

安全区域用于处理线程不响应GC的情况（如阻塞、睡眠）。

• 线程行为：
  • 条件地标识进入安全区域；
  • 离开安全区域前检查GC是否完成，待可用；
• 机制便于避免因线程状态不确定而导致的垃圾回收异常。

记忆集与卡表

解决跨代引用问题，记忆集记录老年代与新生代之间的引用关系，采用卡表实现：

• 卡页大小：通常为512字节，记录跨代引用情况。
• 卡表维护：
  • 在引用对象赋值时，修改卡表状态；
  • UseCondCardMark选项可控制卡表更新优化。

写屏障

维护卡表状态的核心技术，依附于进程分析(解释执行)或即时编译后的机器码执行。写屏障分为：

• 预写屏障（赋值前）：设置状态标记；
• 后写屏障（赋值后）：清理状态或更新卡表。

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