Java虚拟机内部垃圾回收机制

自动垃圾回收 (GC) 是使 Java 如此流行的最重要的功能之一。 本文解释了为什么 GC 至关重要。它包括自动和分代GC，Java虚拟机 (JVM) 如何划分堆内存，最后，GC如何在JVM内部工作。

Java内存分配

Java内存分为四个部分

1. 堆（Heap）：对象实例的内存分配在堆中。 当声明对象时，堆中不会分配任何内存。 而是，在栈中为该对象创建引用。
2. 栈（Stack）：此部分为方法、局部变量和类实例变量分配内存。
3. 代码（Code）：字节码驻留在此部分。
4. 静态（Static）：静态数据和方法放置在此部分。

什么是自动垃圾回收 (GC)？

自动 GC 是一个过程，其中识别堆内存中被引用和未被引用的对象，然后考虑删除未被引用的对象。 术语被引用对象意味着程序的某些部分正在使用这些对象。 未被引用对象当前未被程序使用。

像 C 和 C++ 这样的编程语言需要手动分配和释放内存。 这在 Java 中由 GC 自动处理，尽管您可以使用代码中的 system.gc(); 调用手动触发 GC。

GC 的基本步骤是

1. 标记已用和未用对象

在此步骤中，已用和未用对象被分别标记。 这是一个耗时的过程，因为必须扫描内存中的所有对象以确定它们是否正在使用中。

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(Jayashree Huttanagoudar, CC BY-SA 4.0)

2. 清除/删除对象

清除和删除有两种变体。

简单删除：仅删除未被引用的对象。 但是，由于可用空间分散在可用内存中，因此为新对象分配内存变得困难。

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删除和压缩：除了删除未被引用的对象外，还会压缩被引用的对象。 为新对象分配内存相对容易，并且内存分配性能得到提高。

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什么是分代垃圾回收 (GC)，为什么需要它？

从清除和删除模型可以看出，一旦对象不断增长，从未使用过的对象中回收内存扫描所有对象变得困难。 一项实验研究表明，程序执行期间创建的大多数对象都是短期的。

短生存期对象的存在可用于提高 GC 的性能。 为此，JVM 将内存划分为不同的代。 接下来，它根据这些内存代对对象进行分类，并相应地执行 GC。 这种方法被称为分代GC。

堆内存代和分代垃圾回收 (GC) 过程

为了提高 GC 标记和清除步骤的性能，JVM 将堆内存划分为三代

• 新生代 (Young Generation)
• 老年代 (Old Generation)
• 永久代 (Permanent Generation)

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以下是每个代的描述及其主要特征。

新生代 (Young Generation)

所有创建的对象都存在于此。 新生代进一步分为

1. Eden：所有新创建的对象都在此处分配内存。
2. 幸存者空间 (S0 和 S1)：在经历一次 GC 后，存活的对象会被移动到其中一个幸存者空间。

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发生在新生代的分代 GC 被称为Minor GC。 所有 Minor GC 周期都是“Stop the World”事件，会导致其他应用程序暂停，直到 GC 周期完成。 这就是为什么 Minor GC 周期更快的原因。

总结：Eden 空间包含所有新创建的对象。 一旦 Eden 满了，就会触发第一个 Minor GC 周期。

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Minor GC：在此周期中标记存活和死亡对象。 存活对象被移动到幸存者空间 S0。 一旦所有存活对象都移动到 S0，未被引用的对象将被删除。

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S0 中对象的年龄为 1，因为它们经历了一次 Minor GC。 现在 Eden 和 S1 都为空。

清除后，Eden 空间再次被新的存活对象填满。 随着时间的推移，Eden 和 S0 中的一些对象变为死亡（未被引用），并且 Eden 的空间再次满了，从而触发了 Minor GC。

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这次标记 Eden 和 S0 中的死亡和存活对象。 来自 Eden 的存活对象被移动到 S1，年龄递增 1。 来自 S0 的存活对象也被移动到 S1，年龄递增 2（因为它们现在经历了两次 Minor GC）。 此时，S0 和 Eden 为空。 每次 Minor GC 后，Eden 和其中一个幸存者空间都为空。

在 Eden 中创建新对象的相同周期继续。 当发生下一个 Minor GC 时，通过将老化对象移动到 S0 来清除 Eden 和 S1。 幸存者空间在每次 Minor GC 后切换。

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此过程一直持续到其中一个幸存对象的年龄达到某个阈值，此时它会通过称为晋升的过程移动到所谓的旧生代。

此外，-Xmn 标志设置新生代的大小。

老年代（Tenured Generation）

这一代包含已经经历了几次 Minor GC 并老化到达到预期阈值的对象。

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在上面的示例图中，阈值为 8。 老年代中的 GC 称为Major GC。 使用标志 -Xms 和 -Xmx 设置堆内存的初始大小和最大大小。

永久代 (Permanent Generation)

永久代空间存储与应用程序、J2SE 的库类和方法相关的元数据，以及 JVM 本身正在使用的内容。 JVM 在运行时根据正在使用的类和方法填充此数据。 一旦 JVM 找到未使用的类，它们将被卸载或收集，从而为已使用的类腾出空间。

使用标志 -XX:PermGen 和 -XX:MaxPermGen 设置永久代的初始大小和最大大小。

元空间 (Metaspace)

元空间是在 Java 8u 中引入的，取代了 PermGen。 这样做的优点是自动调整大小，从而避免 OutOfMemory 错误。

总结

本文讨论了 JVM 的各种内存代，以及它们如何有助于自动分代垃圾回收 (GC)。 理解 Java 如何处理内存并非总是必要的，但它可以帮助你想象 JVM 如何处理你的变量和类实例。 这种理解使您可以计划和排除代码故障，并理解特定平台固有的潜在局限性。