图解 Java 垃圾回收机制

原文：https://dwz.cn/UrCZL9XA

译文：https://dwz.cn/tlhgis7R

翻译：Rhys_Lee, AzureSora, 溪边九节, 小小菜鸟鸡

 

什么是自动垃圾回收？

 

自动垃圾回收是一种在堆内存中找出哪些对象在被使用，还有哪些对象没被使用，并且将后者删掉的机制。

所谓使用中的对象（已引用对象），指的是程序中有指针指向的对象；而未使用中的对象（未引用对象），则没有被任何指针给指向，因此占用的内存也可以被回收掉。

在用 C 之类的编程语言时，程序员需要自己手动分配和释放内存。而 Java 不一样，它有垃圾回收器，释放内存由回收器负责。本文接下来将介绍垃圾回收机制的基本过程。

第一步：标记

垃圾回收的第一步是标记。垃圾回收器此时会找出哪些内存在使用中，还有哪些不是。

上图中，蓝色表示已引用对象，橙色表示未引用对象。垃圾回收器要检查完所有的对象，才能知道哪些有被引用，哪些没。如果系统里所有的对象都要检查，那这一步可能会相当耗时间。

 

第二步：清除

这一步会删掉标记出的未引用对象。

 

内存分配器会保留指向可用内存的引用，以供分配新对象。

 

压缩

为了提升性能，删除了未引用对象后，还可以将剩下的已引用对象放在一起（压缩），这样就能更简单快捷地分配新对象了。

为什么需要分代垃圾收集？

 

之前说过，逐一标记和压缩 Java 虚拟机里的所有对象非常低效：分配的对象越多，垃圾回收需时就越久。不过，根据统计，大部分的对象，其实用没多久就不用了。

来看个例子吧。（下图中，竖轴代表已分配的字节，而横轴代表程序运行时间）

上图可见，存活（没被释放）的对象随运行时间越来越少。而图中左侧的那些峰值，也表明了大部分对象其实都挺短命的。

 

JVM 分代

根据之前的规律，就可以用来提升 JVM 的效率了。方法是，把堆分成几个部分（就是所谓的分代），分别是新生代、老年代，以及永生代。

新对象会被分配在新生代内存。一旦新生代内存满了，就会开始对死掉的对象，进行所谓的小型垃圾回收过程。一片新生代内存里，死掉的越多，回收过程就越快；至于那些还活着的对象，此时就会老化，并最终老到进入老年代内存。

Stop the World 事件 —— 小型垃圾回收属于一种叫 "Stop the World" 的事件。在这种事件发生时，所有的程序线程都要暂停，直到事件完成（比如这里就是完成了所有回收工作）为止。

老年代用来保存长时间存活的对象。通常，设置一个阈值，当达到该年龄时，年轻代对象会被移动到老年代。最终老年代也会被回收。这个事件成为 Major GC。

Major GC 也会触发STW（Stop the World）。通常，Major GC会慢很多，因为它涉及到所有存活对象。所以，对于响应性的应用程序，应该尽量避免Major GC。还要注意，Major GC的STW的时长受年老代垃圾回收器类型的影响。

永久代包含JVM用于描述应用程序中类和方法的元数据。永久代是由JVM在运行时根据应用程序使用的类来填充的。此外，Java SE类库和方法也存储在这里。

如果JVM发现某些类不再需要，并且其他类可能需要空间，则这些类可能会被回收。

 

 

世代垃圾收集过程

 

现在你已经理解了为什么堆被分成不同的代，现在是时候看看这些空间是如何相互作用的。后面的图片将介绍JVM中的对象分配和老化过程。

首先，将任何新对象分配给 eden 空间。两个 survivor 空间都是空的。

当 eden 空间填满时，会触发轻微的垃圾收集。

引用的对象被移动到第一个 survivor 空间。清除 eden 空间时，将删除未引用的对象。

在下一次Minor GC中，Eden区也会做同样的操作。删除未被引用的对象，并将被引用的对象移动到Survivor区。然而，这里，他们被移动到了第二个Survivor区（S1）。

此外，第一个Survivor区（S0）中，在上一次Minor GC幸存的对象，会增加年龄，并被移动到S1中。待所有幸存对象都被移动到S1后，S0和Eden区都会被清空。注意，Survivor区中有了不同年龄的对象。

在下一次Minor GC中，会重复同样的操作。不过，这一次Survivor区会交换。被引用的对象移动到S0,。幸存的对象增加年龄。Eden区和S1被清空。

此幻灯片演示了 promotion。在较小的GC之后，当老化的物体达到一定的年龄阈值（在该示例中为8）时，它们从年轻一代晋升到老一代。

随着较小的GC持续发生，物体将继续被推广到老一代空间。

所以这几乎涵盖了年轻一代的整个过程。最终，将主要对老一代进行GC，清理并最终压缩该空间。