Java GC - 分代

垃圾对象

在Java里面，什么样的对象，是垃圾对象呢？通俗来讲，就是没有任何引用指向的对象，即为垃圾对象，在内存中占着空间，但是没有任何引用会引用到它。
Java中有专门的GC（垃圾收集器）来处理垃圾，一般情况下，开发人员不需要特别关注垃圾对象的处理。

识别垃圾

现在清楚了什么是垃圾对象，那GC又是如何判断这个对象是否是垃圾呢？一般有两种方式判别：引用计数法和可达性分析法

引用计数(reference count)

见名知意，对象有一个引用关联，则记数量+1

如图，现在有一个object对象，同时有三个引用指向这个object，其引用数量为3。每当释放一个引用之后，引用数量依次-1，当引用数量减为0时，此时该object即可被认为是垃圾对象，可以进行销毁。

这种方式比较简单，效率也会很高，但是一旦出现对象间循环引用时，对象将无法回收

当对象A持有对象B的引用，同时对象B也持有对象A的引用，这种情况下，对象A的引用数量为1，对象B的引用数量也为1，这两个对象循环依赖之后，形成了孤岛，出了这个孤岛，外部再无任何引用能找到它们，根据引用计数规则，它们不属于垃圾对象，从而无法被回收。

可达性分析(root searching)

root search，即为从root对象开始搜索，如果最终能找到这个对象，则该对象不是垃圾：

如图所示，从root节点出发，最终可以找到的对象有CDEFG，而对象A和B，从root节点出发没有任何一条路径可以找到它们，虽然它们之间相互依赖，各自引用数量不为0，但依然会判定它们为垃圾对象。

root节点

那什么样的节点可以作为root节点对象呢？根据JVM规范，有以下几种对象可以作为root节点：

• 线程栈变量（JVM stack）
  
  Java栈中会有很多的栈帧，main方法所在栈帧里的各种变量即可作为root对象，也即图中frame1中的变量对象

• 静态变量（static reference in method area）
  所有Class文件中定义的静态变量，没啥好解释的

• 常量池（run-time constant poll）
  这也没啥好解释的

• 本地方法栈（native method stack）
  如果调用了本地由C/C++写的本地方法，那些方法中的对象也可认为是root对象

垃圾清除

ok，现在GC已经找到哪些对象时垃圾了，该如何进行清除呢？
常用的垃圾清除算法有下面3种：

• 标记清除（mark-sweep）
• 拷贝（copy）
• 标记压缩（mark-compact）

下面我们简单介绍下这几种算法的优缺点
我们以一个方块代表一个对象，黑色表示是垃圾对象，绿色表示是正常非垃圾对象，白色表示是内存空闲区域：

标记清除

标记清除算法的逻辑很简单，即先将垃圾对象标记出来，然后再直接将被标记的对象清除。

通过上面的介绍，标记-清除算法，需要经过两遍扫描，第一遍先标记出所有的垃圾对象，第二遍扫描，是将第一遍标记出的对象清除。但是直接将对象清除之后，原对象占用的空间很有可能是不连续的，如图中黑色所示，分散在内存中各处，会造成内存中可用空间是断断续续的，碎片化比较严重。

该算法的优点是，算法相对比较简单，当垃圾对象比较少时，需要执行的动作较少，此时的效率最高。
缺点是极容易造成内存空间碎片化

拷贝

为了解决垃圾清除完后碎片化严重的问题，拷贝算法便孕育而生：

需要将内存空间一分为二，每次只用一半的空间。当需要清理垃圾时，将内存A中不是垃圾的对象，copy到另一半的内存空间B中，然后再将内存A中的所有对象全部清空。

这样的好处还是很明显的：
1）解决了碎片化问题，所有存活的对象，在内存B中的排列都是有序的，内存中剩余的可用空间也都是连续的
2）过程只经历了一次扫描

同样缺点也是很明显的：
1）内存空间浪费很严重，人为将内存空间缩减了一半
2）因内存中的存活对象经历了一次挪动，从内存A挪移到了内存B中，其内存地址必然发生变动，需要在挪动对象的同时修改该对象的所有引用指向的地址，当存活对象很多时，会很大程度降低该算法的效率

所以该算法，在存活对象比较少时，执行效率会比较高。

标记-压缩

综合了标记-清除算法 和拷贝算法的优缺点，需要扫描两次，第一次扫描将所有内存中存活的非垃圾对象挪到连续的空间，第二次扫描将垃圾对象清除

该算法的优缺点一样很明显：
优点：
1）不会产生碎片化
2）内存大小不用人为缩减一半

缺点：
1）扫描2次
2）需要挪动对象，也会涉及对象引用的调整
效率低

GC种类

Java中有哪几种GC呢？先简单列举一下：

1. Serial GC
2. ParNew GC
3. Parrallel GC
4. CMS GC
5. G1 GC
6. ZGC（JDK11）

内存分代

逻辑分代：内存中不实际切割物理空间，只是在逻辑上标识这块空间是新生代，这块空间是老年代，但是对应的内存空间是统一连续的一块。

物理分代：物理切割内存空间，新生代，老年代分别对应着独立的两块不同的内存区域。

除ZGC外，都使用逻辑分代模型
G1是逻辑分代，物理部不分代
其他既逻辑分代，也物理分代

新生代：
包含两块区域，eden（伊甸园区）和两个survivor区，一般默认比例是8：1：1

1. eden区，我们new出来的对象，会落在eden区，eden区大量对象产生，同时有大量对象被回收
2. survivor区，当eden区回收之后，对象还存活着，对象则会进入survivor区中的一个，（另一个survivor始终处于空闲状态），survivor区每次发生GC，对象则会在survivor1和survivor2之间来回copy切换（如果对象始终存活），在对象被回收到一定年龄之后，对象进入老年代。

对象每被回收一次，年龄+1，最大年龄可达15次，也即对象被回收15次之后还存活，则对象会进入老年代。
当出发young GC，需要将eden中存活对象和survivor1对象copy进survivor2，如果eden中存活对象数量+survivor1中存活对象的数量 > survivor2大小的一半时，survivor中年龄大的对象也会直接进入老年代。

按照前面所讲的GC回收算法，eden区用的是标记清除算法，survivor使用的是copy算法，老年代则可以是标记清除算法，或者是标记压缩算法

Minor GC / YGC / Young GC : 新生代空间耗尽时触发
Major GC/Full GC ：老年代空间耗尽时触发，此时新生代和老年代会同时进行回收

对象生命流转

我们在程序中new了一个对象，JVM是怎么分配这个对象的呢？
相信很多人都记得new的对象在堆上分配内存，在栈上分配引用，一定是这样吗？
其实并不完全是。
我们new出来的对象，可可能是直接分配在线程栈上，随着出栈操作直接消亡，而不需要经过垃圾回收处理。

所以对象的分配，优先在线程栈上分配，如果不满足分配条件，则优先线程本地分配（TLAB），如果还是不满足，则分配进eden区，如果是大对象，则直接分配进老年代。

分配规则简单来讲如下：

• 栈上分配规则：

1. 线程私有，对象很小
2. 无逃逸（即对象生命周期仅在此栈上，出了栈无任何引用）
3. 支持标量替换（如对象仅有一个id字段，则只需要对id字段的值进行入栈和出栈操作，其等同于创建对象（id字段入栈），销毁对象（id字段出栈））

• 线程本地分配 TLAB（thread local allocation buffer）
  每个线程都会占用eden区，默认1%的空间。 当线程new对象之后，在栈上无法分配空间，则优先在eden区独占空间上进行分配，这样多线程环境下，线程无需在eden剩余区域进行空间竞争，一般分配的也是小对象。