本文節選自《深入理解Java虛擬機:JVM高級特性與最佳實踐》【作者：周志明】
由於垃圾收集算法的實現涉及大量的程序細節，而且各個平臺的虛擬機操作內存的方法又各不相同，因此本節不打算過多地討論算法的實現，只是介紹幾種算法的思想及其發展過程。
3.3.1 標記-清除算法
最基礎的收集算法是“標記-清除”（Mark-Sweep）算法，如它的名字一樣，算法分爲“標記”和“清除”兩個階段：首先標記出所有需要回收的對象，在標記完成後統一回收掉所有被標記的對象，它的標記過程其實在前一節講述對象標記判定時已經基本介紹過了。之所以說它是最基礎的收集算法，是因爲後續的收集算法都是基於這種思路並對其缺點進行改進而得到的。它的主要缺點有兩個：一個是效率問題，標記和清除過程的效率都不高；另外一個是空間問題，標記清除之後會產生大量不連續的內存碎片，空間碎片太多可能會導致，當程序在以後的運行過程中需要分配較大對象時無法找到足夠的連續內存而不得不提前觸發另一次垃圾收集動作。標記-清除算法的執行過程如圖3-2所示。
圖3-2 “標記-清除”算法示意圖
3.3.2 複製算法
爲了解決效率問題，一種稱爲“複製”（Copying）的收集算法出現了，它將可用內存按容量劃分爲大小相等的兩塊，每次只使用其中的一塊。當這一塊的內存用完了，就將還存活着的對象複製到另外一塊上面，然後再把已使用過的內存空間一次清理掉。這樣使得每次都是對其中的一塊進行內存回收，內存分配時也就不用考慮內存碎片等複雜情況，只要移動堆頂指針，按順序分配內存即可，實現簡單，運行高效。只是這種算法的代價是將內存縮小爲原來的一半，未免太高了一點。複製算法的執行過程如圖3-3所示。
圖3-3 複製算法示意圖
現在的商業虛擬機都採用這種收集算法來回收新生代，IBM的專門研究表明，新生代中的對象98%是朝生夕死的，所以並不需要按照1∶1的比例來劃分內存空間，而是將內存分爲一塊較大的Eden空間和兩塊較小的Survivor空間，每次使用Eden和其中的一塊Survivor。當回收時，將Eden和Survivor中還存活着的對象一次性地拷貝到另外一塊Survivor空間上，最後清理掉Eden和剛纔用過的Survivor的空間。HotSpot虛擬機默認Eden和Survivor的大小比例是8∶1，也就是每次新生代中可用內存空間爲整個新生代容量的90%（80%+10%），只有10%的內存是會被“浪費”的。當然，98%的對象可回收只是一般場景下的數據，我們沒有辦法保證每次回收都只有不多於10%的對象存活，當Survivor空間不夠用時，需要依賴其他內存（這裏指老年代）進行分配擔保（Handle Promotion）。
內存的分配擔保就好比我們去銀行借款，如果我們信譽很好，在98%的情況下都能按時償還，於是銀行可能會默認我們下一次也能按時按量地償還貸款，只需要有一個擔保人能保證如果我不能還款時，可以從他的賬戶扣錢，那銀行就認爲沒有風險了。內存的分配擔保也一樣，如果另外一塊Survivor空間沒有足夠的空間存放上一次新生代收集下來的存活對象，這些對象將直接通過分配擔保機制進入老年代。關於對新生代進行分配擔保的內容，本章稍後在講解垃圾收集器執行規則時還會再詳細講解。
3.3.3 標記-整理算法
複製收集算法在對象存活率較高時就要執行較多的複製操作，效率將會變低。更關鍵的是，如果不想浪費50%的空間，就需要有額外的空間進行分配擔保，以應對被使用的內存中所有對象都100%存活的極端情況，所以在老年代一般不能直接選用這種算法。
根據老年代的特點，有人提出了另外一種“標記-整理”（Mark-Compact）算法，標記過程仍然與“標記-清除”算法一樣，但後續步驟不是直接對可回收對象進行清理，而是讓所有存活的對象都向一端移動，然後直接清理掉端邊界以外的內存，“標記-整理”算法的示意圖如圖3-4所示。
圖3-4 “標記-整理”算法示意圖
3.3.4 分代收集算法
當前商業虛擬機的垃圾收集都採用“分代收集”（Generational Collection）算法，這種算法並沒有什麼新的思想，只是根據對象的存活週期的不同將內存劃分爲幾塊。一般是把Java堆分爲新生代和老年代，這樣就可以根據各個年代的特點採用最適當的收集算法。在新生代中，每次垃圾收集時都發現有大批對象死去，只有少量存活，那就選用複製算法，只需要付出少量存活對象的複製成本就可以完成收集。而老年代中因爲對象存活率高、沒有額外空間對它進行分配擔保，就必須使用“標記-清理”或“標記-整理”算法來進行回收。
----------------------------
《深入理解Java虛擬機:JVM高級特性與最佳實踐》共分爲五大部分。第一部分從宏觀的角度介紹了整個Java技術體系的過去、現在和未來，以及如何獨立地編譯一個OpenJDK7，這對理解後面的內容很有幫助。第二部分講解了JVM的自動內存管理，包括虛擬機內存區域的劃分原理以及各種內存溢出異常產生的原因；常見的垃圾收集算法以及垃圾收集器的特點和工作原理；常見的虛擬機的監控與調試工具的原理和使用方法。第三部分分析了虛擬機的執行子系統，包括Class的文件結構以及如何存儲和訪問Class中的數據；虛擬機的類創建機制以及類加載器的工作原理和它對虛擬機的意義；虛擬機字節碼的執行引擎以及它在實行代碼時涉及的內存結構。第四部分講解了程序的編譯與代碼的優化，闡述了泛型、自動裝箱拆箱、條件編譯等語法糖的原理；講解了虛擬機的熱點探測方法、HotSpot的即時編譯器、編譯觸發條件，以及如何從虛擬機外部觀察和分析JIT編譯的數據和結果。第五部分探討了Java實現高效併發的原理，包括JVM內存模型的結構和操作；原子性、可見性和有序性在Java內存模型中的體現；先行發生原則的規則和使用；線程在Java語言中的實現原理；虛擬機實現高效併發所做的一系列鎖優化措施。
作者簡介：周志明，博客地址http://icyfenix.iteye.com/，新浪微博http://weibo.com/icyfenix。