Java设计思想深究----JVM垃圾回收(GC GarbageCollection)（图文）

本文解析了Java中自动垃圾回收机制，包括新生代、老年代和永久代的内存管理，以及为何Java开发者无需担心内存泄漏。讨论了内存分配、GC频率与内存泄漏平衡及调优策略。

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一、回收的是什么垃圾 Garbage？

二、在Java环境里，为什么开发人员就没担心过内存泄露的问题了？

三、自动垃圾回收机制

四、堆分代思想

4.1 新生代 Young Generation

4.2 老年代 Old Generation

4.3 永久代 Permanent Generation

五、一些相关的问题

5.1 新生代与老年代的内存比例

5.2 新生代中Eden区与SurvivorSpace区的内存比例

5.3 如何对GC进行调优？

回收的是什么垃圾 Garbage？

我们都知道，编程是思想在内存上的映射，而内存的本质职能还是数据的快速读写。

以C语言这种面向过程的语言为例，

#include <stdio.h>
int main()
{
    int a = 0;
    return 0;
}

当我们定义了一个变量a，并赋值，栈内存上有一个整形大小的区域便被申请，并被直接引用，当主函数return 0时，进程结束，该内存就会被操作系统自动free释放掉（物理上的擦除）。

许多初级使用只使用堆栈变量。

堆栈很好，因为它是自动的，但它也有两个缺点:(1)编译器需要提前知道变量的大小，(2)堆栈空间有点有限。例如:在Windows中，在Microsoft链接器的默认设置下，堆栈被设置为1mb，并不是所有的变量都可用。

如果你在编译时不知道你的数组有多大，或者你需要一个大的数组或结构体，你需要“B计划”。

方案B被称为“堆”。通常可以创建操作系统允许的大小的变量，但必须自己动手。

#include <stdio.h>
int main()
{
    int size = 4;
    int *p = (int *)malloc(size);
    return 0;
}

这样我们便在堆内存上申请了10个整型大小的内存，并用整形指针变量p指向了这部分首地址：

之后便可以主动使用这部分内存进行读写操作。处于堆内存上的内存段，并不会被Stack的自动回收机制回收，待主程序运行结束后，便会由操作系统自动回收动态分配的内存。

但是，我们都知道，内存上的“土地”，有限的同时，寸土寸金。

为此，C语言提供了回收机制，回收指定的malloc申请的区域：

free(p);

如果使用结束后，如果没有对这部内存进行回收，之后的此处被占用的内存在主程序结束前就是实打实的浪费，程序将占用比实际需求的更多的内存空间，这种情况被称为“内存泄漏”，“泄漏的”内存不能用于任何事情，直到你的程序结束和操作系统恢复它的所有资源。

因此，对于C语言开发者，不仅有动态空间的申请需求，还需要严谨的在合适的时刻释放掉自己申请的堆内存，最大可能的避免内存泄露的问题。更棘手的是，如果错误的释放了malloc内存，后续引用指向的数据已被擦除，继续使用将造成更严重的后果。

综上所述，我们得到了“垃圾”的定义：作用域结束后的内存片段称之为内存垃圾。

在Java环境里，为什么开发人员就没担心过内存泄露的问题了？

我们都知道，Java语言的一大特性就是“帮”开发者避免了一个很棘手的问题：

什么时候动态申请内存，什么时候释放这块内存？

在Java环境里，这些任务全部委托给了JVM（Java Visual Machine）,就是老生常谈的Java虚拟机。同时为开发者提供了一套面向对象开发的框架，让开发者专注业务，不用担心物理层发生的事情，如果读者对类与对象实例化的过程有所模糊，请阅读这篇博文：

Java设计思想深究----类与对象实例化（图文）_kevinmeanscool的博客-优快云博客

自动垃圾回收机制

以上博文为基础，我们了解了JVM对于对象生命周期的大部分处理（加载->连接->初始化->使用）。还剩下一个问题：JVM如何处理对象生命周期的最后一步----卸载？

回答这个问题前，首先要清楚JVM是一个架设在“内存道路上”的“立体工厂”（JDK1.8为例）：

整理这个严肃的组件图，得到：

JVM把一个对象卸载的过程称作：自动垃圾回收机制（Garbage Collection）。

这个过程的目的只有一个：寻找 Java堆中的无用对象的实例，清理掉。

过程大致是这样的：

Marking 标记垃圾点

根据某个规则（最后会介绍这个标准）标记符合规则的实例为 “垃圾Garbage”，制作一个“待回收垃圾点”的引用列表。

Normal Deletion 回收已标记的垃圾

清理待回收垃圾点（擦除被标记的内存区域），“待回收垃圾点”的引用列表逻辑上变为了“空闲点”引用列表，内存分配器将保存“空闲点”的引用列表，并在需要内存分配时搜索空闲空间。

Deletion with Compacting 整理空间

整理内存，使得非空闲点紧凑的同时，空闲点也紧凑排列，方便后续所需时可使数据呈现高内聚。

这样便结束了一轮的垃圾回收，内存空间又如回收前一般。在标记垃圾点时，提到了依据一个标准，每个虚拟机都有自己使用的标准，JVM是HotSpot虚拟机，使用根搜索算法标记实例。

根搜索算法：基本思想就是选定一些对象作为 GC Roots，并组成根对象集合，然后从这些作为 GC Roots的对象作为起始点，搜索所走过的引用链（ ReferenceChain）。如果目标对象到 GC Roots是连接着的，我们则称该目标对象是可达的，如果目标对象不可达，则说明目标对象是可以被回收的对象。这个回收标志保存在堆内存中的实例对象头中。

作为 GC Root的对象可以主要分为四种：

JVM栈中引用的对象；
方法区（MetaSpace）中，静态属性引用的对象；
方法区（MetaSpace）中，常量引用的对象；
本地方法栈中，JNI（即Native方法）引用的对象；

在 JDK1.2之后，Java将引用分为强引用、软引用、弱引用、虚引用4种，这4种引用强度依次减弱。

1. 强引用

如果一个对象具有强引用，它就不会被垃圾回收器回收。即使当前内存空间不足，JVM也不会回收它，而是抛出 OOM 错误，使程序异常终止。比如String str = "hello"这时候str就是一个强引用。

2. 软引用

内存足够的时候，软引用对象不会被回收，只有在内存不足时，系统则会回收软引用对象，如果回收了软引用对象之后仍然没有足够的内存，才会抛出OOM异常。

3. 弱引用

如果一个对象具有弱引用，在垃圾回收时候，发现即回收。

4. 虚引用

如果一个对象具有虚引用，就相当于没有引用，在任何时候都有可能被回收。使用虚引用的目的就是为了得知对象被GC的时机，所以可以利用虚引用来进行销毁前的一些操作，比如说资源释放等。

到这里就结束了对自动垃圾回收机制（GC）的基本介绍。

然而实际的情况是，Java开发中，对象的生命周期绝大部分是短暂的（临时变量）。如果以以上的机制去进行，我们可以模拟一下一个过程：

经历过n次GC后，全局对象被整理的紧凑，此时程序执行到一个体量不大的方法中：

方法执行结束后，引用被Stack回收，局部临时引用的堆内存变为逻辑上的“垃圾”：

这时候根据自动垃圾回收机制，垃圾回收器需要从头到尾遍历一遍内存，挨个根据根搜索算法检验是否为垃圾点，那么这个遍历的周期就为Cycle。

Cycle设置的太小，高频率的遍历对安全JVM的机器而言是一笔沉重的资源开销，显然不合理。

Cycle设置的太大，逻辑上已经是垃圾的实例无法及时得到回收，内存泄漏问题会愈发严重。

此时，基础自动垃圾回收机制，产生了一个矛盾：JVM垃圾回收频率 vs 内存泄漏的程度

对此为了优化GC的过程，JDK推出了堆分代思想。

堆分代思想

JVM的内存被分为了三个主要部分：新生代(Young)，老年代(Old)和永久代(Permanent)。

分代的依据就是对象实例的年龄（每经历过一次GC，年龄age+1，这个年龄保存在堆内存中的实例对象头中）。

新生代 Young Generation

所有新产生的对象全部都在新生代中， Eden区保存最新的对象实例，即保存age=0的对象实例。

久而久之，Eden区将会达到容量极限，这时垃圾回收器便执行一次小GC（小GC是StopWorld事件，会暂停其他所有线程，只进行小GC事务）。

小GC执行过后，根据根搜索算法，不具有可达性的实例所占空间将被回收。同时，具有可达性的对象实例因此而“成长”（age=1），进入空的Survivor Space(存活下来后进入幸存区，幸存区分为大小一致的两块，Eden对象成长后，会选择空的幸存区进入，幸存区分两块的原因下文马上讲)。

随着一段时间过后，Eden区肯定会再次达到容量的极限，触发小GC，小GC会导致整个新生代不具有可达性的对象实例被回收，具有可达性的对象实例集体成长后进入空的Survivor Space：

此时，Eden区会腾空，SurvivorSpace会腾出一个空的区。你可以意识到了，是不是下一次小GC，Eden+非空SurvivorSpace ->又会经历回收成长->移动到空的SurvivorSpace，这是为了避免只有1个SurvivorSpace产生内存碎片：

使内存碎片紧凑会导致JVM产生一笔额外的资源开销，因此JVM利用反复在“新区域”有序排列，从而避免内存碎片化的情况发生。上述整体提到的是新生代管理内存采用的算法为 GC复制算法( CopyingGC)，也叫标记-复制法（原理并不难）。

不断的循环上述过程，一直具有可达性的对象的实例在不断成长age+1，直到达到JVM参数设定的新生代最大年龄（参数 MaxTenuringThreshold设定，默认值为 15）时，JVM会请这些对象进入到老年代。

老年代 Old Generation

老年代用来存储活时间较长的对象。

年龄达到15的对象实例们，被JVM一个接一个的移动到老年区(Tenured)，直到达到老年区的容量极限时，JVM将进行一次大GC（这也是一个 Stopthe world事件，会暂停其他所有线程，优先执行大GC，大GC会对整个堆内存进行遍历，所以也称作FullGC），同样的，根据根搜索算法将不可达的对象实例回收，可达的对象，成长，根据年龄选择对应的存储区域。

你可能已经发现了，老年区并没有像SurvivorSpace那样分2个区避免内存碎片，所以老年区的策略是回收后使可达实例紧凑地存储，就是上文提到的自动垃圾回收机制图文中的过程。