小白搞懂了GC全過(guò)程，全靠阿里專家12張圖
最近有些讀者反應(yīng)：看了很多網(wǎng)上關(guān)于JVM的文章，但是大部分文章不夠通俗易懂，看不太明白。希望筆者能寫幾篇關(guān)于JVM的文章，剛好我也有這方面的打算。從本文開(kāi)始推出JVM系列原創(chuàng)文章！
GC-垃圾回收，是Java程序員長(zhǎng)聊的話題，理解JVM垃圾回收的原理和過(guò)程，不但有助于寫出高質(zhì)量高性能的代碼，也可以幫你在面試官面前侃侃而談！
讀完本文，對(duì)垃圾回收過(guò)程、以及回收算法在垃圾回收中的應(yīng)用，將會(huì)有一個(gè)全新的認(rèn)識(shí)和理解。
堆內(nèi)存結(jié)構(gòu)
我們以Java官方的HotSpot JVM為例，在描述GC過(guò)程前，先了解一下堆內(nèi)存的結(jié)構(gòu)。
JVM將堆內(nèi)存分為了三部分：新生代（Young Generation），老年代（Old Generation），永久代（Permanent Generation）。其中新生代又分為三部分：伊甸園區(qū)（Eden），和兩個(gè)幸存區(qū)S0和S1。
注：JDK1.8之后，Java官方的HotSpot JVM去掉了永久代，取而代之的是元數(shù)據(jù)區(qū)Metaspace。Metaspace使用的是本地內(nèi)存，而不是堆內(nèi)存，也就是說(shuō)在默認(rèn)情況下Metaspace的大小只與本地內(nèi)存的大小有關(guān)。因此JDK1.8之后，就見(jiàn)不到j(luò)ava.lang.OutOfMemoryError: PermGen space這種由于永久代空間不足導(dǎo)致的內(nèi)存溢出的問(wèn)題了。
垃圾回收全過(guò)程
新創(chuàng)建的對(duì)象會(huì)先被分配到到Eden區(qū)。JVM剛啟動(dòng)時(shí)，Eden區(qū)對(duì)象數(shù)量較少，兩個(gè)Survivor區(qū)S0、S1幾乎是空的。
隨著時(shí)間的推移，Eden區(qū)的對(duì)象越來(lái)越多。當(dāng)Eden區(qū)放不下時(shí)（占用空間達(dá)到容量閾值），新生代就會(huì)發(fā)生垃圾回收，我們稱之為Minor GC或者Young GC。
發(fā)生GC時(shí)，第一步會(huì)通過(guò)可達(dá)性分析算法找到可達(dá)對(duì)象。如上圖，藍(lán)色為可達(dá)對(duì)象，其他紫色為不可達(dá)對(duì)象。第二步，被標(biāo)示的可達(dá)對(duì)象會(huì)被轉(zhuǎn)移到S0（此時(shí)S0是From Survivor），此時(shí)存活對(duì)象年齡加1，三個(gè)對(duì)象年齡都變?yōu)?。第三步，清除Eden區(qū)所有對(duì)象。
GC后各區(qū)域?qū)ο笳加们闆r，如上圖所示。
程序繼續(xù)運(yùn)行，Eden區(qū)再次達(dá)到容量閾值時(shí)，會(huì)再次發(fā)生GC。這時(shí)S0（From Survivor）已經(jīng)有了對(duì)象。還是同樣的步驟，通過(guò)可達(dá)性分析算法找到可達(dá)對(duì)象，然后再將Eden和S0中的可達(dá)對(duì)象轉(zhuǎn)移到S1（To Survivor），各存活對(duì)象年齡加1。最后將Eden和S0中的所有對(duì)象清除。
GC后S0區(qū)域被清空。如上圖所示。S0和S1發(fā)生了互換，S1變成了From Survivor，S0變成了To Survivor。
注意，To Survivor區(qū)永遠(yuǎn)都為空。這實(shí)際上是垃圾回收算法-復(fù)制算法在年輕代的實(shí)際應(yīng)用。把年輕代分為Eden，S0，S1三個(gè)區(qū)域，每次垃圾回收時(shí)把可達(dá)對(duì)象復(fù)制到S0或S1，然后再清除掉Eden和（S1或S0）中的所有對(duì)象。由于每次GC時(shí)，新生代的可達(dá)對(duì)象非常少（絕大部分對(duì)象要被回收掉），一般不會(huì)超過(guò)新生代總體空間的10%，所以搜尋可達(dá)對(duì)象以及復(fù)制對(duì)象的成本都會(huì)非常低。而且這種復(fù)制的方式還能避免產(chǎn)生堆內(nèi)存碎片，提高內(nèi)存利用率。很多年輕代垃圾收集器都采用復(fù)制算法，如ParNew。
在程序運(yùn)行過(guò)程中，新生代GC會(huì)反復(fù)發(fā)生，長(zhǎng)壽對(duì)象會(huì)在S0和S1之間反復(fù)交換，年齡也會(huì)越來(lái)越大，當(dāng)對(duì)象達(dá)到年齡上限時(shí)，會(huì)被晉升到老年代。這個(gè)年齡上限默認(rèn)是15，可以通過(guò)參數(shù)-XX:MaxTenuringThreshold設(shè)置。如下圖，有些年輕代對(duì)象年齡達(dá)到了上限15，被轉(zhuǎn)移到了老年代。
其他晉升方式。新生代對(duì)象晉升到老年代，除了根據(jù)年齡正常晉升外。為了提高JVM的性能，JVM設(shè)計(jì)者還考慮了其他晉升方式。
大對(duì)象直接晉升。大對(duì)象會(huì)跨過(guò)年輕代直接分配到老年代?？梢酝ㄟ^(guò)-XX:PretenureSizeThreshold參數(shù)設(shè)置對(duì)象大小。如果參數(shù)被設(shè)置成5MB，超過(guò)5MB的大對(duì)象會(huì)直接分配到老年代。這樣做的目的，是為了避免大對(duì)象在Eden區(qū)及兩個(gè)Survivor區(qū)之間大量的內(nèi)存復(fù)制，大對(duì)象的內(nèi)存復(fù)制耗時(shí)比普通對(duì)象要高很多。
注意：PretenureSizeThreshold參數(shù)只對(duì)Serial和ParNew兩種回收器有效。
動(dòng)態(tài)對(duì)象年齡判定。如果在Survivor空間中相同年齡對(duì)象大小的總和大于Survivor空間的一半，年齡大于或等于該年齡的對(duì)象會(huì)直接進(jìn)入老年代，而不用等到MaxTenuringThreshold中設(shè)置的年齡上限。上圖，年齡為1的對(duì)象超過(guò)了Survivor空間的一半，所以這幾個(gè)對(duì)象會(huì)直接進(jìn)入老年代。
實(shí)際上，上面對(duì)動(dòng)態(tài)對(duì)象年齡判定的描述并不精確。上圖的場(chǎng)景也會(huì)導(dǎo)致相關(guān)對(duì)象晉升到老年代。年齡為1的對(duì)象加上年齡為2的對(duì)象超過(guò)了半數(shù)，這時(shí)包括年齡為2的對(duì)象以及年齡更大的對(duì)象都會(huì)被晉升到老年代。所以上圖中年齡為2和3的對(duì)象都會(huì)被晉升到老年代。
老年代垃圾回收。隨著年輕代對(duì)象的不斷晉升，老年代的對(duì)象變得越來(lái)越多，達(dá)到容量閾值后老年代也會(huì)發(fā)生垃圾回收，我們稱之為Major GC或者Full GC，F(xiàn)ull GC并不是全局GC，它只發(fā)生在老年代。
雖然年輕代和老年代都會(huì)發(fā)生GC，但是每次GC的時(shí)間和成本卻大不相同。由于老年代空間大小一般是年輕代的幾倍，再加上老年代對(duì)象存活率很高，所以整個(gè)標(biāo)記過(guò)程比較慢，GC成本也非常高。我們經(jīng)常說(shuō)的JVM調(diào)優(yōu)，主要是為了盡量減少老年代Full GC的時(shí)間和頻次。
老年代垃圾回收器，很少使用復(fù)制算法，主要為了避免大量對(duì)象的內(nèi)存復(fù)制帶來(lái)的時(shí)間和空間上的開(kāi)銷，一般采用標(biāo)記清除、標(biāo)記整理算法，就地標(biāo)記回收。例如，老年代垃圾收集器CMS就采用了標(biāo)記清除算法。對(duì)于標(biāo)記清除算法帶來(lái)的內(nèi)存碎片問(wèn)題，CMS提供了兩個(gè)參數(shù)做碎片整理，-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection和-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction。
希望本文對(duì)大家有所幫助。
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