判断对象存活的算法

判断对象存活的算法

引用计数（Reference Counting）：

• 算法为每个对象维护一个引用计数器，每当有一个新的引用指向该对象时，计数器加1；当引用失效时，计数器减1。
• 优点：实现简单，实时性较好。
• 缺点：不能处理循环引用的情况，且计数操作有一定的开销。

在实际项目中实现引用计数

以下是一个简单的例子，展示了如何在Java中实现一个基本的引用计数对象：

public class RefCounted {
    private int referenceCount = 0;
    private Object data;

    public RefCounted(Object data) {
        this.data = data;
        referenceCount = 1; // 初始引用计数为1
    }

    public void addReference() {
        referenceCount++; // 增加引用计数
    }

    public void removeReference() {
        referenceCount--; // 减少引用计数
        if (referenceCount == 0) {
            // 如果引用计数为0，则回收资源
            data = null;
            System.out.println("Object has been garbage collected.");
        }
    }

    public Object getData() {
        return data;
    }
}

RefCounted 类包含了一个引用计数器和一个数据对象。每次创建一个新的引用时，都应该调用 addReference() 方法，每次引用失效时，都应该调用 removeReference() 方法。当引用计数降为0时，表示没有活动的引用指向该对象，可以执行相应的清理操作。

使用这个类的示例：

public class ReferenceCountingExample {
    public static void main(String[] args) {
        RefCounted refCounted = new RefCounted("Important data");

        // 增加引用
        refCounted.addReference();

        // 使用数据...
        System.out.println(refCounted.getData());

        // 减少引用
        refCounted.removeReference();
        // 减少引用
        refCounted.removeReference();

        // 此时，引用计数为0，对象应该已经被清理
    }
}

标记-清除（Mark-Sweep）：

• 算法分为“标记”和“清除”两个阶段。标记阶段遍历所有可达对象，并做上标记；清除阶段遍历堆，回收未被标记的对象所占用的空间。
• 优点：解决了引用计数法的循环引用问题。
• 缺点：回收过程中，用户线程需要暂停（Stop-The-World），可能会产生内存碎片。

在实际项目中实现标记-清除

以下是一个简化的例子，展示了标记-清除算法的基本步骤：

• 标记（Mark）：遍历所有可达对象，并标记它们为活动的。
• 清除（Sweep）：遍历堆，回收未被标记的对象所占用的空间。

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

class GCObject {
    public List<GCObject> references;
    public boolean marked;

    public GCObject() {
        references = new ArrayList<>();
        marked = false;
    }
}

public class MarkSweepGC {
    private static List<GCObject> heap = new ArrayList<>();

    public static void main(String[] args) {
        // 创建一些对象并建立引用关系
        GCObject a = new GCObject();
        GCObject b = new GCObject();
        GCObject c = new GCObject();
        a.references.add(b);
        b.references.add(c);
        c.references.add(a); // 创建一个循环引用

        // 将对象添加到堆中
        heap.add(a);
        heap.add(b);
        heap.add(c);

        // 执行标记-清除垃圾回收
        markSweep();

        // 检查堆中的对象
        for (GCObject obj : heap) {
            if (obj.marked) {
                System.out.println("Object is still alive.");
            } else {
                System.out.println("Object has been collected.");
            }
        }
    }

    public static void markSweep() {
        // 标记阶段
        mark(heap.get(0));

        // 清除阶段
        for (int i = heap.size() - 1; i >= 0; i--) {
            GCObject obj = heap.get(i);
            if (!obj.marked) {
                heap.remove(i);
                System.out.println("Collected object " + obj);
            } else {
                obj.marked = false; // 重置标记，为下一次垃圾回收做准备
            }
        }
    }

    public static void mark(GCObject obj) {
        if (obj.marked) {
            return;
        }
        obj.marked = true;
        for (GCObject reference : obj.references) {
            mark(reference);
        }
    }
}

标记-整理（Mark-Compact）：

• 是标记-清除算法的改进，标记阶段相同，清除阶段在回收前会先执行整理操作，将所有存活的对象移动到内存的一端，然后清理掉边界以外的内存。
• 优点：避免了内存碎片。
• 缺点：整理阶段的开销较大。

在实际项目中实现标记-整理

以下是一个简化的例子，展示了标记-整理算法的基本步骤：

• 标记（Mark）：遍历所有可达对象，并标记它们为活动的。
• 整理（Compact）：将所有活动的对象移动到内存的一端，更新它们的引用，然后清理掉边界以外的内存。

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

class GCObject {
    public List<GCObject> references;
    public boolean marked;
    public int index;

    public GCObject() {
        references = new ArrayList<>();
        marked = false;
        index = -1;
    }
}

public class MarkCompactGC {
    private static List<GCObject> heap = new ArrayList<>();
    private static int nextIndex = 0;

    public static void main(String[] args) {
        // 创建一些对象并建立引用关系
        GCObject a = new GCObject();
        GCObject b = new GCObject();
        GCObject c = new GCObject();
        a.references.add(b);
        b.references.add(c);
        c.references.add(a); // 创建一个循环引用

        // 将对象添加到堆中
        addObjectToHeap(a);
        addObjectToHeap(b);
        addObjectToHeap(c);

        // 执行标记-整理垃圾回收
        markCompact();

        // 检查堆中的对象
        for (GCObject obj : heap) {
            if (obj.index != -1) {
                System.out.println("Object at index " + obj.index + " is still alive.");
            } else {
                System.out.println("Object has been collected.");
            }
        }
    }

    public static void addObjectToHeap(GCObject obj) {
        obj.index = nextIndex++;
        heap.add(obj);
    }

    public static void markCompact() {
        // 标记阶段
        mark(heap.get(0));

        // 整理阶段
        int aliveCount = 0;
        for (GCObject obj : heap) {
            if (obj.marked) {
                obj.index = aliveCount++;
            }
        }

        // 清理阶段
        for (int i = heap.size() - 1; i >= 0; i--) {
            GCObject obj = heap.get(i);
            if (obj.index == -1) {
                heap.remove(i);
                System.out.println("Collected object " + obj);
            } else {
                // 更新引用
                int newIndex = obj.index;
                for (GCObject reference : obj.references) {
                    reference.references.set(reference.references.indexOf(obj), heap.get(newIndex));
                }
                obj.marked = false; // 重置标记，为下一次垃圾回收做准备
            }
        }
    }

    public static void mark(GCObject obj) {
        if (obj.marked) {
            return;
        }
        obj.marked = true;
        for (GCObject reference : obj.references) {
            mark(reference);
        }
    }
}

分代收集（Generational Collection）：

• 算法基于对象存活周期的不同将内存划分为几代，对年轻代和老年代采用不同的垃圾回收策略。
• 通常年轻代使用标记-清除或复制算法，因为年轻代对象死亡率高；老年代使用标记-清除或标记-整理算法。
• 优点：提高了垃圾回收的效率。

在实际项目中实现分代收集

以下是一个简化的例子，展示了分代收集的基本步骤：

• 新生代（Minor GC）：使用复制算法对新生代进行垃圾回收。
• 老年代（Major GC/Old GC）：使用标记-清除或标记-整理算法对老年代进行垃圾回收。
• 全堆（Full GC）：对整个堆进行垃圾回收，包括新生代和老年代。

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

class GCObject {
    public List<GCObject> references;
    public boolean marked;
    public boolean inYoungGeneration;

    public GCObject() {
        references = new ArrayList<>();
        marked = false;
        inYoungGeneration = true;
    }
}

public class GenerationalGC {
    private static List<GCObject> youngGen = new ArrayList<>();
    private static List<GCObject> oldGen = new ArrayList<>();

    public static void main(String[] args) {
        // 创建一些对象并建立引用关系
        GCObject a = new GCObject();
        GCObject b = new GCObject();
        GCObject c = new GCObject();
        a.references.add(b);
        b.references.add(c);
        c.references.add(a); // 创建一个循环引用

        // 将对象添加到新生代
        youngGen.add(a);
        youngGen.add(b);
        youngGen.add(c);

        // 模拟对象年龄增长
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            minorGC();
            promoteToOldGen();
        }

        // 执行老年代垃圾回收
        majorGC();

        // 检查老年代中的对象
        for (GCObject obj : oldGen) {
            if (obj.marked) {
                System.out.println("Object in old generation is still alive.");
            } else {
                System.out.println("Object in old generation has been collected.");
            }
        }
    }

    public static void minorGC() {
        // 在新生代中使用复制算法进行垃圾回收
        List<GCObject> survivors = new ArrayList<>();
        for (GCObject obj : youngGen) {
            if (obj.marked) {
                survivors.add(obj);
                obj.marked = false; // 重置标记
            }
        }
        youngGen = survivors;
    }

    public static void promoteToOldGen() {
        // 将新生代中的对象晋升到老年代
        for (GCObject obj : youngGen) {
            obj.inYoungGeneration = false;
            oldGen.add(obj);
        }
        youngGen.clear();
    }

    public static void majorGC() {
        // 在老年代中使用标记-清除算法进行垃圾回收
        mark(oldGen.get(0));
        for (int i = oldGen.size() - 1; i >= 0; i--) {
            GCObject obj = oldGen.get(i);
            if (!obj.marked) {
                oldGen.remove(i);
                System.out.println("Collected object from old generation " + obj);
            } else {
                obj.marked = false; // 重置标记
            }
        }
    }

    public static void mark(GCObject obj) {
        if (obj.marked) {
            return;
        }
        obj.marked = true;
        for (GCObject reference : obj.references) {
            mark(reference);
        }
    }
}

增量收集（Incremental Collection）：

• 将垃圾回收分成多个小步骤，交替执行与用户程序的运行，每次只做一小部分垃圾回收工作，减少单次垃圾回收时的停顿时间。
• 优点：减少了应用程序的停顿时间。
• 缺点：总体上可能会增加垃圾回收的开销，因为需要更多的总时间和上下文切换。

在实际项目中实现增量收集

以下是一个简化的例子，展示了如何在Java中模拟增量收集的基本概念。请注意，这个例子并不是一个完整的增量收集实现，而是为了说明增量收集的基本原理。

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

class GCObject {
    public List<GCObject> references;
    public boolean marked;

    public GCObject() {
        references = new ArrayList<>();
        marked = false;
    }
}

public class IncrementalGC {
    private static List<GCObject> heap = new ArrayList<>();
    private static int threshold; // 设定每次增量收集处理的对象数量上限

    public static void main(String[] args) {
        // 创建一些对象并建立引用关系
        GCObject a = new GCObject();
        GCObject b = new GCObject();
        GCObject c = new GCObject();
        a.references.add(b);
        b.references.add(c);
        c.references.add(a); // 创建一个循环引用

        // 将对象添加到堆中
        heap.add(a);
        heap.add(b);
        heap.add(c);

        // 设置阈值
        threshold = 1; // 每次只处理一个对象的引用

        // 执行增量垃圾回收
        incrementalGC();

        // 检查堆中的对象
        for (GCObject obj : heap) {
            if (obj.marked) {
                System.out.println("Object is still alive.");
            } else {
                System.out.println("Object has been collected.");
            }
        }
    }

    public static void incrementalGC() {
        // 标记阶段
        for (GCObject obj : heap) {
            if (!obj.marked) {
                mark(obj);
                if (--threshold <= 0) {
                    break; // 达到本次处理的阈值上限
                }
            }
        }

        // 清除阶段
        for (int i = heap.size() - 1; i >= 0; i--) {
            GCObject obj = heap.get(i);
            if (!obj.marked) {
                heap.remove(i);
                System.out.println("Collected object " + obj);
            } else {
                obj.marked = false; // 重置标记
            }
        }
    }

    public static void mark(GCObject obj) {
        if (obj.marked) {
            return;
        }
        obj.marked = true;
        for (GCObject reference : obj.references) {
            mark(reference);
        }
    }
}

并发收集（Concurrent Collection）：

• 算法允许垃圾回收线程与用户线程同时运行。
• 优点：减少了应用程序的停顿时间。
• 缺点：需要更复杂的算法来保证线程安全，且可能会影响系统的吞吐量。

在实际项目中实现并发收集

以下是一个简化的例子，展示了如何在Java中模拟并发收集的基本概念。请注意，这个例子并不是一个完整的并发收集实现，而是为了说明并发收集的基本原理。

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicBoolean;

class GCObject {
    public List<GCObject> references;
    public AtomicBoolean marked;

    public GCObject() {
        references = new ArrayList<>();
        marked = new AtomicBoolean(false);
    }
}

public class ConcurrentGC {
    private static List<GCObject> heap = new ArrayList<>();

    public static void main(String[] args) {
        // 创建一些对象并建立引用关系
        GCObject a = new GCObject();
        GCObject b = new GCObject();
        GCObject c = new GCObject();
        a.references.add(b);
        b.references.add(c);
        c.references.add(a); // 创建一个循环引用

        // 将对象添加到堆中
        heap.add(a);
        heap.add(b);
        heap.add(c);

        // 并发标记阶段
        markConcurrently();

        // 并发清除阶段
        collectConcurrently();

        // 检查堆中的对象
        for (GCObject obj : heap) {
            if (obj.marked.get()) {
                System.out.println("Object is still alive.");
            } else {
                System.out.println("Object has been collected.");
            }
        }
    }

    public static void markConcurrently() {
        for (GCObject obj : heap) {
            if (obj.marked.compareAndSet(false, true)) {
                for (GCObject reference : obj.references) {
                    reference.marked.set(true);
                }
            }
        }
    }

    public static void collectConcurrently() {
        for (int i = heap.size() - 1; i >= 0; i--) {
            GCObject obj = heap.get(i);
            if (!obj.marked.get()) {
                heap.remove(i);
                System.out.println("Collected object " + obj);
            } else {
                obj.marked.set(false); // 重置标记
            }
        }
    }
}