通过图文给你讲明白java垃圾回收机制

1. JAVA GC 概述

JAVA GC采用了分代思想,将java堆分成新生代,年老代,永久代。GC算法主要有标记-清除,标记-压缩,复制算法。

  • 新生代:新生代被分成三个部分 eden区和2个survivor区(from和to两个分区)。当创建对象,需要jvm分配内存时,会在新生代的eden区寻找合适的内存区域。如果当eden区内存不够时,会触发minor GC。eden区存活对象和from区的存活对象将会被复制到to区。当to区的对象年龄超过了晋升的年龄设置,对象将被提升到老年代。新生代GC用的是复制算法

  • 年老代: 年老代里存放的都是存活时间较久的,大小较大的对象,因此年老代使用标记整理算法。当年老代容量满的时候,会触发一次Major GC(full GC),回收年老代和年轻代中不再被使用的对象资源。年老代算法用的是标记-清除

  • 永久代:指内存的永久保存区域,主要存放Class和Meta(元数据)的信息。Class在被加载的时候被放入永久区域。它和和存放实例的区域不同,GC不会在主程序运行期对永久区域进行清理。所以这也导致了永久代的区域会随着加载的Class的增多而胀满,最终抛出OOM异常。

2. 图文描述标记-清除和标记-压缩

Step 1:标记(Marking)

GC的第一步叫做标记。在这个步骤GC通过遍历内存区辨别哪些内存在使用,哪些内容没有使用。并做好标记

如上图蓝色的表示存活的对象,金黄色表示垃圾对象。在标记阶段,需要扫描整个该内存区的对象,并标记。这个过程可能会比较耗时

Step 2: 清除(Normal Deletion)

清除阶段移除掉垃圾对象,并且用一个链表维护空闲的区域

内存分配器持有空闲内存区的引用,以便分配内存给新的对象

Step 2a: 压缩(Deletion with Compacting)

为了提升性能,在Step 2的基础上,在删除完垃圾对象后。我们可以把存活的对象移动到内存区的头部。这样下次分配内存的时候会更快。主要原因是标记-清除会造成比较大的内存碎片,每当需要分配内存时,都需要遍历空闲链表。而压缩算法,会把内存碎片整理成一个大的完整内存块。

3. 分代垃圾回收

3.1 为什么要采用分代垃圾回收?

正如前面所说,标记和压缩对象,对java虚拟机而言会比较耗时。当java虚拟机分配了越来越多的对象后。GC所花费的时间将会更长。然而根据经验分析,绝大多数的对象存活时间都比较短。这样我们可以把存活长的对象和存活短的对象隔离开。这样GC会更加高效

3.2 JVM分代

将jvm堆内存分割成更小的内存区,会提高jvm的gc性能。堆被分成 (新生代)Young Generation,(年老代)Old or Tenured Generation, and (永久代)Permanent Generation

  • 所有的对象都会在新生代中分配内存。当新生代内存不够的时候。将会出发minor GC。如果新生代中的对象存活时间都很短,那么minor GC的效率将会很高。如果新生代里面充满了垃圾对象,那么回收速度将会很快(因为标记的时间短了)。一些存活下来的对象年龄将会增加,并且最终会被移动到年老代

  • Stop the World Event:所有的minor GC都是”Stop the World”事件。这意味着除了GC线程,程序的其他线程对将暂停直到GC完成。Minor GC都是Stop the World Event

  • 年老代是用来存储长存活时间的对象。典型的我们可以给对象设定一个年龄界限,当新生代的对象存活年龄超过这个界限,对象将会从新生代移动到年老代。当年老代的内存不够的时候,将会出发Major GC。Major GC也是Stop the World Event。通常来说Major GC比Minor GC更慢,因为Major GC回收的是整个新生代和年老代的所有垃圾对象。因此对于响应性高的程序,应该尽量减少Major GC。需要注意的是Stop the World Event的时间受到在年老代中使用的垃圾回收器的影响,不受新生代的影响

  • 永久代包含了JVM的元数据。包括类信息,方法信息等。永久代由JVM在应用运行期生成。另外 javase的类库中的类信息也可能存放在这里

3.3 分代垃圾回收的处理过程

现在你明白为什么堆分成不同的代,现在是时候看看这些空间是如何相互作用的。下面的图片将介绍JVM中的对象分配和老化过程。

「1. 一开始,任何新的对象都会在eden空间分配内存,两个survivor空间一开始都是空的」

「2. 当eden空间被填满了,minor GC将被触发」

S0 survivor区对象里的 1 3表示对象的年龄

「3. Eden空间的存活的对象将被复制到第一个survivor空间,年龄+1,垃圾对象将会被清除掉」

「4. 下一次minor GC发生时,Eden空间的存活对象将被复制到空闲的survivor空间S1(年龄+1),另外在前一次minor GC S0空间的存活对象也会被复制到S1(年龄+1),垃圾对象会被清除掉」

「5. 下一次minor GC发生时,还是重复第4条的内容,只是两个survivor空间对调了,这次是从S1复制到S0空间」

「6. 新生代晋升到年老代。当minor GC发生时,如果survivor空间中的对象年龄超过了晋升的年龄限定,对象会被复制到年老代」

「7. 当minor GC不断触发,将会有对象不断被晋升到年老代」

「8. 上面的图文完美的解释了minor GC的处理过程。最终,当年老代的内存被填满的时候,将会触发major GC。Major GC在年老代用的是标记压缩算法。同时新生代的对象将被清除」

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