Java GC垃圾回收机制

本文内容基于目前使用最广泛的 HotSpot JVM。

参考书籍：《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践》–周志明

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JVM内存模型

一、Java GC

Java 垃圾回收机制是由 GC（Garbage Collection）垃圾收集器实现的，它是 JVM 提供的一种自动内存管理和垃圾清扫机制，在空闲时间、不定时回收、无任何对象引用的对象所占据的内存空间，从而不容易出现内存泄露和内存溢出问题，一般简称「Java GC」或「JVM GC」。

• 垃圾：无任何对象引用的对象；
• 回收：清理 ‘垃圾’ 占用的内存空间，而非对象本身；
• 发生时间：在程序空闲时不定时回收；
• 发生地点：一般发生在堆内存中；
• 一般不需要、也不推荐程序员手动编写内存回收和垃圾清理代码。

Java GC 主要负责三件事：

• What：确定哪些内存需要 GC 回收？
• When：确定什么时候需要 GC 回收？
• How：如何执行 GC 回收？

二、GC 回收的对象

Java 中那些「不可达的对象」就会变成垃圾，等待被 GC 回收。

"不可达"：不能通过任何途径引用该对象。

Java 中定义了四种引用：

• 强引用：Strong Reference，代码中最普遍的形式，GC 永远不会回收掉这种引用对象；
• 软引用：Soft Reference，指一些还有用但并非必需的对象，在系统将要发生内存溢出之前，会对这类对象进行回收；
• 弱引用：Weak Reference，指非必需对象，比软引用的强度更弱一些。当 GC 工作时，无论当前内存是否足够都会回收掉只被弱引用关联的对象；
• 虚引用：是最弱的一种引用关系，一个对象是否有虚引用的存在完全不影响其生存空间。

在 JVM 的内存空间中，程序计数器、虚拟机栈和本地方法栈三个区域都是线程私有的，随线程一起生或死，在方法结束或线程结束时，占用的内存空间自然就回收了，不需要过多考虑回收的问题。

Java 堆内存和方法区： 这两个区域是线程共享的，内存的分配和回收都是动态的，没有确定性，所以 GC 回收重点关注的就是这两部分内存。

三、GC 回收过程

当前商业虚拟机的垃圾收集基本都采用「分代收集 - Generational Collection」算法，这种算法根据对象的存活周期不同将内存划分为不同的区域，然后根据各个区域的特点采用最适当的收集算法中，从而提高回收效率。

1、图解分代内存

在 HotSpot JVM 中，需要进行 GC 回收的内存空间主要是 Java 堆内存和方法区，所以为了更快、更好的回收内存，对这两个区域进行分代划分。

其中，Java 堆是垃圾收集器管理的重点区域，因此也被称为 GC 堆（Garbage Collected Heap），并对堆内存进一步分代划分为 「年轻代和年老代」（也叫新生代和老年代）。

GC 回收内存的分代示意图如下所示：

也可以简化成下面这样：

我再把它简化一下，并加上中文说明：

接下来结合上面的图，分别对三个 Generation 进行文字解析。

1.1 年轻代

• 堆内存被划分为 年轻代 和 年老代，其中年轻代又分为 Eden、S0、S1，HotSpot JVM 默认的空间比例为：Eden：S0：S1 = 8：1：1；
• 几乎所有新生成的对象首先分配在年轻代的 Eden 区，当 Eden 区满了之后，会把还存活的对象依次转移到 S0、S1；
• 年轻代对象 98% 是朝生夕死的，剩下小部分寿命长的对象会进入年老代；
• GC 回收年轻代时，效率很高，常规应用进行一次垃圾收集一般可以回收 70%~95% 的空间。

1.2 年老代

• 年老代对象用于存储长期存活的对象和一些大对象（如大数组、大字符串，需要大量连续存储空间象）；
• 当年轻代空间满了，或者在年轻代中经历了 N 次垃圾回收后仍然存活的对象，都会被放到年老代中；
• 堆内存可通过 -Xms -Xmx 参数调整大小，年轻代可通过 -Xmn 调整大小，年老代的内存大小 = 堆内存 - 年轻代。

1.3 永久代

在 HotSpot JVM 中，习惯把方法区称为「永久代」，本质上两者并不等价，只是因为在 GC 分代收集中使用永久代来实现方法区而已。

• 方法区主要存储类信息、常量、静态变量等数据；
• 该区域可通过 -XX:PermSize -XX:MaxPermSize 调整内存大小；
• 该区域的回收目标主要是废弃常量和无用的类，但是回收效率和性价比都很低，GC 很少在该区域执行；
• JDK 1.8 对内存结构进行了优化，将方法区从永久代抽取出来，去掉了永久代空间，取而代之的是元空间（MetaSpace，Native Memory），因此也不会再出现 java.lang.OutOfMemoryError: PermGen error 错误。

2、图解 GC 回收过程

在上面分代内存的示意图基础上，再结合 GC 回收内存的过程，画出 GC 回收过程的简图：

对 GC 回收过程具体说明如下：

• 几乎所有新生成的对象首先存放在年轻代的 Eden 区，大部分对象朝生夕死；
• 当新对象生成时，在 Eden 申请空间失败（因为空间不足等），会触发一次 GC （Minor GC），先将 Eden 中存活对象复制到 Survivor0 区（简称 S0），然后清空 Eden；
• 当 S0 也存放满了时，触发 Minor GC ，将 Eden、S0 存活对象复制到另一个 Survivor1 区（简称 S1），然后清空 Eden、S0，最后交换 S0 和 S1，即保持 S1 为空， 如此往复；
• 当 S1 不足以存放 Eden 和 S0 的存活对象时，会将存活对象直接存放到老年代；
• 同时，当对象在 Survivor 区躲过一次 GC 的话，会将其对象年龄加 1，默认情况下对象年龄达到 15 岁时，也会移动到老年代中；
• 当老年代也满了，就会触发一次 Full GC，也就是新生代、老年代都进行回收。

对象分配策略

• 大部分对象首先分配在年轻代的 Eden 区；
• 在年轻代中长期存活的对象会在 Minor GC 过程中进入老年代；
• 大对象（如大数组、大字符串）直接分配在老年代；

3、Minor GC 和 Full GC

Minor GC：

• 也称年轻代 GC、新生代 GC，指发生在年轻代的垃圾收集动作；
• 因为 Java 对象大多具备「朝生夕灭」的特性，所以 Minor GC 非常频繁，一般回收速度也比较快。

Full GC：

• 也称为 Major GC、老年代 GC，指发生在老年代的垃圾收集动作；
• 执行 Full GC 时，经常会伴随至少一次的 Minor GC；
• Full GC 的速度一般会比 Minor GC 慢 10 倍以上，所以要尽量避免出现频繁的 Full GC 动作。