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核心思想

标记-整理算法同样分为两个主要阶段，但第二个阶段有所不同：

1. 标记阶段： 与标记-清除算法完全一致。遍历所有可达对象（从 GC Roots 开始），标记它们为“存活”。

2. 整理阶段： 不再简单地清除垃圾对象，而是将所有存活的对象向内存空间的一端（通常是起始地址或结束地址）移动，紧凑排列。移动完成后，边界之外的内存空间全部被视为空闲空间，可以一次性分配。

算法步骤详解

1. 暂停应用程序线程：

   • 同样需要 “Stop-The-World” 停顿，以确保对象引用关系在标记和移动过程中保持稳定。标记-整理算法的 STW 时间通常比标记-清除更长，因为它包含了对象的移动开销。

2. 标记阶段：

   • 起点： 从 GC Roots 开始。

   • 遍历： 采用深度优先搜索或广度优先搜索遍历对象图。

   • 标记： 将所有从 GC Roots 可达的对象标记为“存活”。结果与标记-清除算法相同。

3. 整理阶段： 这是算法的核心改进点。

   • 计算新地址：

     • 遍历堆内存（通常是线性扫描）。

     • 计算每个存活对象在整理后应该被移动到的新地址。新地址通常是连续的，从堆空间的某一端（如低地址端）开始排列。

     • 一种常见的策略是：维护一个“指针”（compaction pointer），初始指向目标区域（如堆起始地址）。每遇到一个存活对象，就计算其大小，将该对象的新地址设置为当前指针位置，然后将指针向后移动该对象大小的距离。

   • 更新引用：

     • 由于对象被移动了位置，所有指向这些移动对象的引用（包括 GC Roots 中的引用和存活对象内部字段的引用）都需要被更新为对象的新地址。

     • 这一步需要再次遍历对象图（从 GC Roots 开始），访问所有存活对象及其引用，将指向被移动对象的引用值修改为计算好的新地址。

     • 关键点： 更新引用必须在对象实际移动之前完成，或者在移动过程中使用特殊的技巧（如 Brooks 指针）来保证引用的正确性。否则，移动对象后，旧的引用就会指向无效地址。

   • 移动对象：

     • 遍历堆内存（通常是线性扫描）。

     • 将每个存活对象复制（移动）到其在步骤 1 中计算好的新地址。

     • 移动完成后，所有存活对象都被紧密地排列在堆空间的一端（如低地址端）。

   • 回收空间：

     • 移动完成后，从最后一个存活对象之后的位置开始，直到堆空间的另一端（如高地址端），所有内存空间都是连续的空闲空间。

     • 这个连续的大块空闲内存可以被一个简单的指针（如 bump pointer）管理，新对象的分配变得极其高效（只需移动指针并清零内存）。

关键特点与优缺点

• 优点：

  • 解决内存碎片： 这是最核心的优势！通过将存活对象紧凑排列，消除了标记-清除算法产生的内存碎片问题。分配新对象时，只需要在连续空闲空间的末尾进行指针碰撞（bump-the-pointer），分配速度非常快且简单。

  • 空间利用率高： 消除了碎片浪费，堆空间得到更有效的利用。特别是对于需要分配大对象的场景，成功率更高。

  • 局部性原理提升： 紧凑排列的对象在内存中位置相邻，更有可能被加载到 CPU 缓存同一缓存行（Cache Line）中。这可以提升程序访问对象的效率（缓存命中率提高）。

• 缺点：

  • STW 时间更长： 移动对象和更新引用的开销通常比简单的清除操作要大得多。这导致 Stop-The-World 停顿时间通常比标记-清除算法更长，尤其是在堆很大、存活对象很多的情况下。这是标记-整理算法最主要的缺点。

  • 移动开销： 复制对象本身需要时间，尤其是对于大对象。

  • 更新引用开销： 需要遍历整个对象图来更新所有指向被移动对象的引用，这也是一个耗时的操作。

  • 实现更复杂： 需要精确地处理对象移动和引用更新，实现难度高于标记-清除算法。

应用场景与演变

• 典型应用：

  • 老年代回收： 标记-整理算法因其能有效解决碎片问题，非常适合老年代的垃圾回收。老年代对象的特点是：

    • 存活率高（每次GC后大部分对象依然存活）。

    • 对象存活时间长。

    • 分配频率相对新生代较低。

    • 对内存碎片非常敏感（长期运行后碎片累积会导致 Full GC 失败）。

  • Serial Old： HotSpot JVM 中的老年代串行收集器就使用标记-整理算法。

  • Parallel Old： HotSpot JVM 中的老年代并行收集器也使用标记-整理算法（多线程并行执行标记和整理）。

  • CMS 的备胎： 当 CMS（Concurrent Mark-Sweep）收集器发生 Concurrent Mode Failure（并发收集跟不上对象分配速度）或 晋升失败（Promotion Failed），或者堆中碎片过多时，CMS 会退回到 Serial Old 收集器（标记-整理）进行一次 Full GC 来整理老年代碎片。

• 现代收集器中的优化：

  • G1： 虽然 G1 的目标是可控停顿时间，并且主要使用复制算法在 Region 间转移存活对象，但其在全局层面也可以看作是一种更精细、更智能的标记-整理（通过选择性地回收和整理 Region 来减少碎片）。

  • ZGC / Shenandoah： 这些超低停顿收集器使用极其复杂的并发算法，但它们在回收阶段的核心目标之一也是移动对象进行整理（并发地或部分并发地），以消除碎片。它们通过读屏障等技术来实现并发移动对象和更新引用，极大地减少了 STW 时间（通常缩短到几毫秒级别），克服了传统标记-整理算法 STW 长的最大缺点。

与标记-清除算法的对比总结

总结

标记-整理算法通过引入对象移动和紧凑排列的整理阶段，完美解决了标记-清除算法最致命的内存碎片问题，带来了更高的内存利用率和更快的对象分配速度（指针碰撞）。然而，这种优势是以更长的 Stop-The-World 停顿时间（主要来自移动对象和更新引用）为代价的。

因此，它非常适合对碎片敏感但能容忍较长停顿的老年代垃圾回收。传统的 Serial Old 和 Parallel Old 收集器就是其代表。现代超低停顿收集器（如 ZGC, Shenandoah）通过并发移动和读屏障等革命性技术，极大地克服了 STW 长的缺点，将标记-整理的思想推向了新的高度，使其能够应用于对延迟极其敏感的系统中。