JVM 垃圾回收的工作原理
對于程序員來說，掌握 Java 的內(nèi)存管理機制并不是必須的，但它能夠幫助你更好地理解 JVM 是如何處理程序中的變量和類實例的。
Java 之所以能夠如此流行，自動 垃圾回收Garbage Collection（GC）功不可沒，它也是 Java 最重要的幾個特性之一。在這篇文章中，我將說明為什么垃圾回收如此重要。本文的主要內(nèi)容為：自動的分代垃圾回收、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區(qū)域：
- 堆區(qū)Heap：對象實例就是在這個區(qū)域分配的。不過，當我們聲明一個對象時，堆中不會發(fā)生任何內(nèi)存分配，只是在棧中創(chuàng)建了一個對象的引用而已。
- 棧區(qū)Stack：方法、局部變量和類的實例變量就是在這個區(qū)域分配的。
- 代碼區(qū)Code：這個區(qū)域存放了程序的字節(jié)碼。
- 靜態(tài)區(qū)Static：這個區(qū)域存放了程序的靜態(tài)數(shù)據(jù)和靜態(tài)方法。
什么是自動垃圾回收？
自動垃圾回收是這樣一個過程：首先，堆中的所有對象會被分類為“被引用的”和“未被引用的”；接著，“未被引用的對象”就會被做上標記，以待之后刪除。其中，“被引用的對象”是指程序中的某一部分仍在使用的對象，“未被引用的對象”是指目前沒有正在被使用的對象。
許多編程語言，例如 C 和 C++，都需要程序員手動管理內(nèi)存的分配和釋放。在 Java 中，這一過程是通過垃圾回收機制來自動完成的（盡管你也可以在代碼中調(diào)用 system.gc(); 來手動觸發(fā)垃圾回收）。
垃圾回收的基本步驟如下：
1、標記已使用和未使用的對象
在這一步驟中，已使用和未使用的對象會被分別做上標記。這是一個及其耗時的過程，因為需要掃描內(nèi)存中的所有對象，才能夠確定它們是否正在被使用。
標記已使用和未使用的對象
2、掃描/刪除對象
有兩種不同的掃描和刪除算法：
簡單刪除（標記清除）：它的過程很簡單，我們只需要刪除未被引用的對象即可。但是，后續(xù)給新對象分配內(nèi)存就會變得很困難了，因為可用空間被分割成了一塊塊碎片。
標記清除的過程
刪除壓縮（標記整理）：除了會刪除未被引用的對象，我們還會壓縮被引用的對象（未被刪除的對象）。這樣以來，新對象的內(nèi)存分配就相對容易了，并且內(nèi)存分配的效率也有了提升。
標記整理的過程
什么是分代垃圾回收，為什么需要它？
正如我們在“掃描刪除”模型中所看到的，一旦對象不斷增長，我們就很難掃描所有未使用的對象以回收內(nèi)存。不過，有一項實驗性研究指出，在程序執(zhí)行期間創(chuàng)建的大多數(shù)對象，它們的存活時間都很短。
既然大多數(shù)對象的存活時間都很短，那么我們就可以利用這個事實，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，它將所有的對象都分類到這些內(nèi)存“代”中，然后對這些“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”和分代垃圾回收過程
為了提升垃圾回收中的“標記清除”的效率，JVM 將對內(nèi)存劃分成以下三個“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“代”及其主要特征。
新生代
所有創(chuàng)建不久的對象都存放在這里。新生代被進一步分為以下兩個區(qū)域：
- 伊甸區(qū)Eden：所有新創(chuàng)建的對象都在此處分配內(nèi)存。
- 幸存者區(qū)Survivor，分為 S0 和 S1：經(jīng)歷過一次垃圾回收后，仍然存活的對象會被移動到兩個幸存者區(qū)中的一個。
對象分配
在新生代發(fā)生的分代垃圾回收被稱為 “次要回收Minor GC”（LCTT 譯注：也稱為“新生代回收Young GC”）。Minor GC 過程中的每個階段都是“停止世界Stop The World”（STW）的，這會導致其他應(yīng)用程序暫停運行，直到垃圾回收結(jié)束。這也是次要回收更快的原因。
一句話總結(jié)：伊甸區(qū)存放了所有新創(chuàng)建的對象，當它的可用空間被耗盡，第一次垃圾回收就會被觸發(fā)。
填充伊甸區(qū)
次要回收：在該垃圾回收過程中，所有存活和死亡的對象都會被做上標記。其中，存活對象會被移動到 S0 幸存者區(qū)。當所有存活對象都被移動到了 S0，未被引用的對象就會被刪除。
拷貝被引用的對象
S0 中的對象年齡為 1，因為它們挺過了一次次要回收。此時，伊甸區(qū)和 S1 都是空的。
每當完成清理后，伊甸區(qū)就會再次接受新的存活對象。隨著時間的推移，伊甸區(qū)和 S0 中的某些對象被宣判死亡（不再被引用），并且伊甸區(qū)的可用空間也再次耗盡（填滿了），那么次要回收 又將再次被觸發(fā)。
對象年齡增長
這一次，伊甸區(qū)和 S0 中的死亡和存活的對象會被做上標記。其中，伊甸區(qū)的存活對象會被移動到 S1，并且年齡增加至 1。S0 中的存活對象也會被移動到 S1，并且年齡增加至 2（因為它們挺過了兩次次要回收）。此時，伊甸區(qū)和 S0 又是空的了。每次次要回收之后，伊甸區(qū)和兩個幸存者區(qū)中的一個都會是空的。
新對象總是在伊甸區(qū)被創(chuàng)建，周而復(fù)始。當下一次垃圾回收發(fā)生時，伊甸區(qū)和 S1 都會被清理，它們中的存活對象會被移動到 S0 區(qū)。每次次要回收之后，這兩個幸存者區(qū)（S0 和 S1）就會交換一次。
額外年齡增長
這個過程會一直進行下去，直到某個存活對象的年齡達到了某個閾值，然后它就會被移動到一個叫做“老年代”的地方，這是通過一個叫做“晉升”的過程來完成的。
使用 -Xmn 選項可以設(shè)置新生代的大小。
老年代
這個區(qū)域存放著那些挺過了許多次次要回收，并且達到了某個年齡閾值的對象。
晉升
在上面這個示例圖表中，晉升的年齡閾值為 8。在老年代發(fā)生的垃圾回收被稱為 “主要回收Major GC”。（LCTT 譯注：也被稱為“全回收Full GC”）
使用 -Xms 和 -Xmx 選項可以分別設(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，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 標準環(huán)境以及 JVM 自用的庫類及其方法相關(guān)。JVM 會在運行時，用到了什么類和方法，就會填充相應(yīng)的數(shù)據(jù)。當 JVM 發(fā)現(xiàn)有未使用的類，就會卸載或是回收它們，從而為正在使用的類騰出空間。
使用 -XX:PermGen 和 -XX:MaxPerGen 選項可以分別設(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調(diào)整大小，避免了 內(nèi)存不足OutOfMemory（OOM）錯誤。
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。對于程序員來說，掌握 Java 的內(nèi)存管理機制并不是必須的，但它能夠幫助你更好地理解 JVM 處理程序中的變量和類實例的方式。這種理解使你能夠規(guī)劃和排除代碼故障，并理解特定平臺固有的潛在限制。
