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Java 之所以能夠如此流行，自動(dòng) 垃圾回收Garbage Collection（GC）功不可沒(méi)，它也是 Java 最重要的幾個(gè)特性之一。在這篇文章中，我將說(shuō)明為什么垃圾回收如此重要。本文的主要內(nèi)容為：自動(dòng)的分代垃圾回收、JVM 劃分內(nèi)存的依據(jù)，以及 JVM 垃圾回收的工作原理。
Java 內(nèi)存分配
Java 程序的內(nèi)存空間被劃分為以下四個(gè)區(qū)域：
- 堆區(qū)Heap：對(duì)象實(shí)例就是在這個(gè)區(qū)域分配的。不過(guò)，當(dāng)我們聲明一個(gè)對(duì)象時(shí)，堆中不會(huì)發(fā)生任何內(nèi)存分配，只是在棧中創(chuàng)建了一個(gè)對(duì)象的引用而已。
- 棧區(qū)Stack：方法、局部變量和類(lèi)的實(shí)例變量就是在這個(gè)區(qū)域分配的。
- 代碼區(qū)Code：這個(gè)區(qū)域存放了程序的字節(jié)碼。
- 靜態(tài)區(qū)Static：這個(gè)區(qū)域存放了程序的靜態(tài)數(shù)據(jù)和靜態(tài)方法。
什么是自動(dòng)垃圾回收？
自動(dòng)垃圾回收是這樣一個(gè)過(guò)程：首先，堆中的所有對(duì)象會(huì)被分類(lèi)為“被引用的”和“未被引用的”；接著，“未被引用的對(duì)象”就會(huì)被做上標(biāo)記，以待之后刪除。其中，“被引用的對(duì)象”是指程序中的某一部分仍在使用的對(duì)象，“未被引用的對(duì)象”是指目前沒(méi)有正在被使用的對(duì)象。
許多編程語(yǔ)言，例如 C 和 C++，都需要程序員手動(dòng)管理內(nèi)存的分配和釋放。在 Java 中，這一過(guò)程是通過(guò)垃圾回收機(jī)制來(lái)自動(dòng)完成的（盡管你也可以在代碼中調(diào)用 system.gc(); 來(lái)手動(dòng)觸發(fā)垃圾回收）。
垃圾回收的基本步驟如下：
1、標(biāo)記已使用和未使用的對(duì)象
在這一步驟中，已使用和未使用的對(duì)象會(huì)被分別做上標(biāo)記。這是一個(gè)及其耗時(shí)的過(guò)程，因?yàn)樾枰獟呙鑳?nèi)存中的所有對(duì)象，才能夠確定它們是否正在被使用。
標(biāo)記已使用和未使用的對(duì)象
2、掃描/刪除對(duì)象
有兩種不同的掃描和刪除算法：
簡(jiǎn)單刪除（標(biāo)記清除）：它的過(guò)程很簡(jiǎn)單，我們只需要?jiǎng)h除未被引用的對(duì)象即可。但是，后續(xù)給新對(duì)象分配內(nèi)存就會(huì)變得很困難了，因?yàn)榭捎每臻g被分割成了一塊塊碎片。
標(biāo)記清除的過(guò)程
刪除壓縮（標(biāo)記整理）：除了會(huì)刪除未被引用的對(duì)象，我們還會(huì)壓縮被引用的對(duì)象（未被刪除的對(duì)象）。這樣以來(lái)，新對(duì)象的內(nèi)存分配就相對(duì)容易了，并且內(nèi)存分配的效率也有了提升。
標(biāo)記整理的過(guò)程
什么是分代垃圾回收，為什么需要它？
正如我們?cè)凇皰呙鑴h除”模型中所看到的，一旦對(duì)象不斷增長(zhǎng)，我們就很難掃描所有未使用的對(duì)象以回收內(nèi)存。不過(guò)，有一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)性研究指出，在程序執(zhí)行期間創(chuàng)建的大多數(shù)對(duì)象，它們的存活時(shí)間都很短。
既然大多數(shù)對(duì)象的存活時(shí)間都很短，那么我們就可以利用這個(gè)事實(shí)，從而提升垃圾回收的效率。該怎么做呢？首先，JVM 將內(nèi)存劃分為不同的“代”。接著，它將所有的對(duì)象都分類(lèi)到這些內(nèi)存“代”中，然后對(duì)這些“代”分別執(zhí)行垃圾回收。這就是“分代垃圾回收”。
堆內(nèi)存的“代”和分代垃圾回收過(guò)程
為了提升垃圾回收中的“標(biāo)記清除”的效率，JVM 將對(duì)內(nèi)存劃分成以下三個(gè)“代”：
- 新生代Young Generation
- 老年代Old Generation
- 永久代Permanent Generation
Hotspot 堆內(nèi)存結(jié)構(gòu)
下面我將介紹每個(gè)“代”及其主要特征。
新生代
所有創(chuàng)建不久的對(duì)象都存放在這里。新生代被進(jìn)一步分為以下兩個(gè)區(qū)域：
- 伊甸區(qū)Eden：所有新創(chuàng)建的對(duì)象都在此處分配內(nèi)存。
- 幸存者區(qū)Survivor，分為 S0 和 S1：經(jīng)歷過(guò)一次垃圾回收后，仍然存活的對(duì)象會(huì)被移動(dòng)到兩個(gè)幸存者區(qū)中的一個(gè)。
對(duì)象分配
在新生代發(fā)生的分代垃圾回收被稱(chēng)為 “次要回收Minor GC”（LCTT 譯注：也稱(chēng)為“新生代回收Young GC”）。Minor GC 過(guò)程中的每個(gè)階段都是“停止世界Stop The World”（STW）的，這會(huì)導(dǎo)致其他應(yīng)用程序暫停運(yùn)行，直到垃圾回收結(jié)束。這也是次要回收更快的原因。
一句話(huà)總結(jié)：伊甸區(qū)存放了所有新創(chuàng)建的對(duì)象，當(dāng)它的可用空間被耗盡，第一次垃圾回收就會(huì)被觸發(fā)。
填充伊甸區(qū)
次要回收：在該垃圾回收過(guò)程中，所有存活和死亡的對(duì)象都會(huì)被做上標(biāo)記。其中，存活對(duì)象會(huì)被移動(dòng)到 S0 幸存者區(qū)。當(dāng)所有存活對(duì)象都被移動(dòng)到了 S0，未被引用的對(duì)象就會(huì)被刪除。
拷貝被引用的對(duì)象
S0 中的對(duì)象年齡為 1，因?yàn)樗鼈兺^(guò)了一次次要回收。此時(shí)，伊甸區(qū)和 S1 都是空的。
每當(dāng)完成清理后，伊甸區(qū)就會(huì)再次接受新的存活對(duì)象。隨著時(shí)間的推移，伊甸區(qū)和 S0 中的某些對(duì)象被宣判死亡（不再被引用），并且伊甸區(qū)的可用空間也再次耗盡（填滿(mǎn)了），那么次要回收 又將再次被觸發(fā)。
對(duì)象年齡增長(zhǎng)
這一次，伊甸區(qū)和 S0 中的死亡和存活的對(duì)象會(huì)被做上標(biāo)記。其中，伊甸區(qū)的存活對(duì)象會(huì)被移動(dòng)到 S1，并且年齡增加至 1。S0 中的存活對(duì)象也會(huì)被移動(dòng)到 S1，并且年齡增加至 2（因?yàn)樗鼈兺^(guò)了兩次次要回收）。此時(shí)，伊甸區(qū)和 S0 又是空的了。每次次要回收之后，伊甸區(qū)和兩個(gè)幸存者區(qū)中的一個(gè)都會(huì)是空的。
新對(duì)象總是在伊甸區(qū)被創(chuàng)建，周而復(fù)始。當(dāng)下一次垃圾回收發(fā)生時(shí)，伊甸區(qū)和 S1 都會(huì)被清理，它們中的存活對(duì)象會(huì)被移動(dòng)到 S0 區(qū)。每次次要回收之后，這兩個(gè)幸存者區(qū)（S0 和 S1）就會(huì)交換一次。
額外年齡增長(zhǎng)
這個(gè)過(guò)程會(huì)一直進(jìn)行下去，直到某個(gè)存活對(duì)象的年齡達(dá)到了某個(gè)閾值，然后它就會(huì)被移動(dòng)到一個(gè)叫做“老年代”的地方，這是通過(guò)一個(gè)叫做“晉升”的過(guò)程來(lái)完成的。
使用 -Xmn 選項(xiàng)可以設(shè)置新生代的大小。
老年代
這個(gè)區(qū)域存放著那些挺過(guò)了許多次次要回收，并且達(dá)到了某個(gè)年齡閾值的對(duì)象。
晉升
在上面這個(gè)示例圖表中，晉升的年齡閾值為 8。在老年代發(fā)生的垃圾回收被稱(chēng)為 “主要回收Major GC”。（LCTT 譯注：也被稱(chēng)為“全回收Full GC”）
使用 -Xms 和 -Xmx 選項(xiàng)可以分別設(shè)置堆內(nèi)存大小的初始值和最大值。（LCTT 譯注：結(jié)合上面的 -Xmn 選項(xiàng)，就可以間接設(shè)置老年代的大小了。）
永久代
永久代存放著一些元數(shù)據(jù)，它們與應(yīng)用程序、Java 標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境以及 JVM 自用的庫(kù)類(lèi)及其方法相關(guān)。JVM 會(huì)在運(yùn)行時(shí)，用到了什么類(lèi)和方法，就會(huì)填充相應(yīng)的數(shù)據(jù)。當(dāng) JVM 發(fā)現(xiàn)有未使用的類(lèi)，就會(huì)卸載或是回收它們，從而為正在使用的類(lèi)騰出空間。
使用 -XX:PermGen 和 -XX:MaxPerGen 選項(xiàng)可以分別設(shè)置永久代大小的初始值和最大值。
元空間
Java 8 引入了元空間Metaspace，并用它替換了永久代。這么做的好處是自動(dòng)調(diào)整大小，避免了 內(nèi)存不足OutOfMemory（OOM）錯(cuò)誤。
總結(jié)
本文討論了各種不同的 JVM 內(nèi)存“代”，以及它們是如何在分代垃圾回收算法中起作用的。對(duì)于程序員來(lái)說(shuō)，掌握 Java 的內(nèi)存管理機(jī)制并不是必須的，但它能夠幫助你更好地理解 JVM 處理程序中的變量和類(lèi)實(shí)例的方式。這種理解使你能夠規(guī)劃和排除代碼故障，并理解特定平臺(tái)固有的潛在限制。
當(dāng)前標(biāo)題：JVM垃圾回收的工作原理
網(wǎng)站地址：http://www.fisionsoft.com.cn/article/cdspoio.html
