Java与C#的垃圾回收机制的详情介绍

（一）垃圾回收器的基本假定

（1）最近被分配内存空间的对象最有可能需要被释放。在方法被执行前，通常需要为该方法所使用到的对象分配内存空间，搜索最近被分配的对象集合有助于花费最少的工作来释放进可能多的空闲内存空间。

（2）生命期最长的对象需要释放的可能性最小。在通过几轮垃圾回收后仍然存在的对象不大可能是那种能够在下一轮回收中被释放的临时对象，搜索这些内存块往往要进行大量的工作，却只能释放很小一部分的内存空间。

（3）同时分配内存的对象通常也会同时使用。将同时分配内存的对象存储位置彼此相连有助于提高缓存性能。

（二）几种垃圾回收机制

（1）标记－清除收集器

　　这种收集器首先遍历对象图并标记可到达的对象，然后扫描堆栈以寻找未标记对象并释放它们的内存。这种收集器一般使用单线程工作并停止其他操作。

（2）标记－压缩收集器

　　有时也叫标记－清除－压缩收集器，与标记－清除收集器有相同的标记阶段。在第二阶段，则把标记对象复制到堆栈的新域中以便压缩堆栈。这种收集器也停止其他操作。

（3）复制收集器

　　这种收集器将堆栈分为两个域，常称为半空间。每次仅使用一半的空间，jvm生成的新对象则放在另一半空间中。gc运行时，它把可到达对象复制到另一半空间，从而压缩了堆栈。这种方法适用于短生存期的对象，持续复制长生存期的对象则导致效率降低。

（4）增量收集器

增量收集器把堆栈分为多个域，每次仅从一个域收集垃圾。这会造成较小的应用程序中断。

（5）分代收集器

　　这种收集器把堆栈分为两个或多个域，用以存放不同寿命的对象。jvm生成的新对象一般放在其中的某个域中。过一段时间，继续存在的对象将获得使用期并转入更长寿命的域中。分代收集器对不同的域使用不同的算法以优化性能。

（6）并发收集器

　　并发收集器与应用程序同时运行。这些收集器在某点上（比如压缩时）一般都不得不停止其他操作以完成特定的任务，但是因为其他应用程序可进行其他的后台操作，所以中断其他处理的实际时间大大降低。

（7）并行收集器

　　并行收集器使用某种传统的算法并使用多线程并行的执行它们的工作。在多cpu机器上使用多线程技术可以显著的提高java应用程序的可扩展性。

（三）.NET框架垃圾回收机制

.NET框架包含一个托管堆，所有的.NET语言在分配引用类型对象时都要使用它。像值类型这样的轻量级对象始终分配在栈中，但是所有的类实例和数组都被生成在一个内存池中，这个内存池就是托管堆。

.NET框架中的垃圾回收器被称为分代的垃圾回收器（Generational Garbage Collector），也就是说被分配的对象划分为3个类别，或称为“代”。分别为0，1，2。0、1、2代对应的托管堆的初始化大小分别是256K，2M和10M。垃圾回收器在发现改变大小能够提高性能的话，会改变托管堆的大小。例如当应用程序初始化了许多小的对象,并且这些对象会被很快回收的话，垃圾回收器就会将第0代的托管堆变为128K，并且提高回收的频率。如果情况相反，垃圾回收器发现在第0代的托管堆中不能回收很多空间时，就会增加托管堆的大小。在应用程序初始化的之前，所有等级的托管堆都是空的。当对象被初始化的时候，他们会按照初始化的先后顺序被放入第0代的托管堆中。　

最近被分配内存空间的对象被放置于第0代，因为第0代很小，小到足以放进处理器的二级（L2）缓存，所以第0代能够为我们提供对其中对象的快速存取。经过一轮垃圾回收后，仍然保留在第0代中的对象被移进第1代中，再经过一轮垃圾内存回收后，仍然保留在第1代中的对象则被移进第2代中。第2代包含了生存期较长的对象，这些对象至少经过了两轮回收。

C#程序为一个对象分配内存时，托管堆几乎可以立即返回新对象所需的内存，托管堆之所以能有这样高效的内存分配性能是由于托管堆较为简单的数据结构。托管堆类似于简单的字节数组，有一个指向第一个可用内存空间的指针。

在某块被某对象所请求时，上述指针值就会返回给调用函数，而指针会重新调整至指向下一个可用的内存空间。分配一个托管内存块只比递增一个指针的值稍微复杂一点。这也是托管堆所优化的性能之一。在一个不需太多垃圾回收的应用程序中，托管堆的表现会优于传统的堆。

由于这个线性的内存分配方法的存在，在C#应用程序中同时分配的对象在托管堆上通常会被分配成彼此相邻。着安排和传统的堆内存分配完全不同，传统的堆内存分配是基于内存块大小的。例如，两个同时分配的对象在堆上的位置可能相距很远，从而降低了缓存的性能。因此虽然内存分配很快，但在一些比较重要的程序中，第0代中的可用内存很有可能会彻底被消耗光。记住，第0代小到可以装进L2缓冲区，并且没有被使用的内存不会被自动释放。当第0代中没有可以分配的有效内存时，就会在第0代中触发一轮垃圾回收，在这轮垃圾回收中将删除所有不再被引用的对象，并将当前正在使用中的对象移至第1代。针对第0代的垃圾回收是最常见的回收类型，而且速度很快。在第0代的垃圾内存回收不能有效的请求到充足的内存时，就启动第1代的垃圾内存回收。第2代的垃圾内存回收要作为最后一种手段而使用，当且仅当第1代和第0代的垃圾内存回收不能被提供足够内存时进行。如果各代都进行了垃圾回收后仍没有可用的内存，就会引发一个OutOfMemeryException异常 。

（四）Java垃圾回收机制

执行Java程序时内存如何放置？《Java编程思想》一书中提到了六个地方：

（1）寄存器（Register）

（2）栈（Stack）

（3）堆（Heap）：用来置放所有Java对象

（4）静态存储空间（Static storage）：用来存放“程序执行期间”一直存在的数据。用statci修饰。

（5）常量存储空间（Constant storage）

（6）Non-RAM存储空间：我理解为磁盘存储区，即非内存区域。

Sun HotSpot 1.4.1使用分代收集器，它把堆分为三个主要的域：新域、旧域以及永久域。Jvm生成的所有新对象放在新域中。一旦对象经历了一定数量的垃圾收集循环后，便获得使用期并进入旧域。在永久域中jvm则存储class和method对象。就配置而言，永久域是一个独立域并且不认为是堆的一部分。这样看来，采用了HotSpot引擎技术的JVM应该采用了和.NET框架类似的垃圾回收机制-----分代垃圾回收方法。

下面介绍如何控制这些域的大小。可使用-Xms和-Xmx 控制整个堆的原始大小或最大值。

　　下面的命令是把初始大小设置为128M：

java –Xms128m

　　–Xmx256m为控制新域的大小，可使用-XX:NewRatio设置新域在堆中所占的比例。

　　下面的命令把整个堆设置成128m，新域比率设置成3，即新域与旧域比例为1：3，新域为堆的1/4或32M：

java –Xms128m –Xmx128m

–XX:NewRatio =3可使用-XX:NewSize和-XX:MaxNewsize设置新域的初始值和最大值。

　　下面的命令把新域的初始值和最大值设置成64m:

java –Xms256m –Xmx256m –Xmn64m

　　永久域默认大小为4m。运行程序时，jvm会调整永久域的大小以满足需要。每次调整时，jvm会对堆进行一次完全的垃圾收集。

　　使用-XX:MaxPerSize标志来增加永久域搭大小。在WebLogic Server应用程序加载较多类时，经常需要增加永久域的最大值。当jvm加载类时，永久域中的对象急剧增加，从而使jvm不断调整永久域大小。为了避免调整，可使用-XX:PerSize标志设置初始值。

　　下面把永久域初始值设置成32m，最大值设置成64m。

java -Xms512m -Xmx512m -Xmn128m -XX:PermSize=32m -XX:MaxPermSize=64m

　　默认状态下，HotSpot在新域中使用复制收集器。该域一般分为三个部分。第一部分为Eden，用于生成新的对象。另两部分称为救助空间，当Eden充满时，收集器停止应用程序，把所有可到达对象复制到当前的from救助空间，一旦当前的from救助空间充满，收集器则把可到达对象复制到当前的to救助空间。From和to救助空间互换角色。维持活动的对象将在救助空间不断复制，直到它们获得使用期并转入旧域。使用-XX:SurvivorRatio可控制新域子空间的大小。

　　同NewRation一样，SurvivorRation规定某救助域与Eden空间的比值。比如，以下命令把新域设置成64m，Eden占32m，每个救助域各占16m：

java -Xms256m -Xmx256m -Xmn64m -XX:SurvivorRation =2

　　如前所述，默认状态下HotSpot对新域使用复制收集器，对旧域使用标记－清除－压缩收集器。在新域中使用复制收集器有很多意义，因为应用程序生成的大部分对象是短寿命的。理想状态下，所有过渡对象在移出Eden空间时将被收集。如果能够这样的话，并且移出Eden空间的对象是长寿命的，那么理论上可以立即把它们移进旧域，避免在救助空间反复复制。但是，应用程序不能适合这种理想状态，因为它们有一小部分中长寿命的对象。最好是保持这些中长寿命的对象并放在新域中，因为复制小部分的对象总比压缩旧域廉价。为控制新域中对象的复制，可用-XX:TargetSurvivorRatio控制救助空间的比例（该值是设置救助空间的使用比例。如救助空间位1M，该值50表示可用500K）。该值是一个百分比，默认值是50。当较大的堆栈使用较低的sruvivorratio时，应增加该值到80至90，以更好利用救助空间。用-XX:maxtenuring threshold可控制上限。

　　为放置所有的复制全部发生以及希望对象从eden扩展到旧域，可以把MaxTenuring Threshold设置成0。设置完成后，实际上就不再使用救助空间了，因此应把SurvivorRatio设成最大值以最大化Eden空间，设置如下：

java … -XX:MaxTenuringThreshold=0 –XX:SurvivorRatio＝50000 …

后记：正如《Java本纪之Java虚拟机的10年》所提到的那样“最近的五年，就是（JVM）继续优化的五年。继续进行优化的方法有几条路，一是研究新的采样算法。因为采样关系到不同的优化策略，会对整体性能有比较大的影响。二是研究深度优化的方法。三是研究垃圾收集的算法。垃圾收集会带来程序短暂的停顿，这会带来负面的用户体验。于是，如何提高垃圾收集的效率，减少延迟，出现了五花八门的算法，比如渐进式收集、火车算法等。”提高语言的执行速度和效率一直是设计开发者所追求的目标，因此垃圾回收的算法也会随日月的递增而发展。我想也没有哪个面试官敢轻易问你谈谈C#或者Java的垃圾回收机制（至少我还没碰到过），很多问题一旦讨论的深入，足以写成长篇大著。但刨根问底、追根溯源真的是一件很美的事情，孔子登东山而小鲁，登泰山而小天下。

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