JVM 垃圾回收的工作原理

對於程式設計師來說，掌握 Java 的記憶體管理機制並不是必須的，但它能夠幫助你更好地理解 JVM 是如何處理程式中的變數和類例項的。

Java 之所以能夠如此流行，自動 垃圾回收Garbage Collection（GC）功不可沒，它也是 Java 最重要的幾個特性之一。在這篇文章中，我將說明為什麼垃圾回收如此重要。本文的主要內容為：自動的分代垃圾回收、JVM 劃分記憶體的依據，以及 JVM 垃圾回收的工作原理。

Java 記憶體分配

Java 程式的記憶體空間被劃分為以下四個區域：

• 堆區Heap：物件例項就是在這個區域分配的。不過，當我們宣告一個物件時，堆中不會發生任何記憶體分配，只是在棧中建立了一個物件的引用而已。
• 棧區Stack：方法、區域性變數和類的例項變數就是在這個區域分配的。
• 程式碼區Code：這個區域存放了程式的位元組碼。
• 靜態區Static：這個區域存放了程式的靜態資料和靜態方法。

什麼是自動垃圾回收？

自動垃圾回收是這樣一個過程：首先，堆中的所有物件會被分類為“被引用的”和“未被引用的”；接著，“未被引用的物件”就會被做上標記，以待之後刪除。其中，“被引用的物件”是指程式中的某一部分仍在使用的物件，“未被引用的物件”是指目前沒有正在被使用的物件。

許多程式語言，例如 C 和 C++，都需要程式設計師手動管理記憶體的分配和釋放。在 Java 中，這一過程是通過垃圾回收機制來自動完成的（儘管你也可以在程式碼中呼叫 system.gc(); 來手動觸發垃圾回收）。

垃圾回收的基本步驟如下：

1、標記已使用和未使用的物件

在這一步驟中，已使用和未使用的物件會被分別做上標記。這是一個及其耗時的過程，因為需要掃描記憶體中的所有物件，才能夠確定它們是否正在被使用。

標記已使用和未使用的物件

2、掃描/刪除物件

有兩種不同的掃描和刪除演算法：

簡單刪除（標記清除）：它的過程很簡單，我們只需要刪除未被引用的物件即可。但是，後續給新物件分配記憶體就會變得很困難了，因為可用空間被分割成了一塊塊碎片。

標記清除的過程

刪除壓縮（標記整理）：除了會刪除未被引用的物件，我們還會壓縮被引用的物件（未被刪除的物件）。這樣以來，新物件的記憶體分配就相對容易了，並且記憶體分配的效率也有了提升。

標記整理的過程

什麼是分代垃圾回收，為什麼需要它？

正如我們在“掃描刪除”模型中所看到的，一旦物件不斷增長，我們就很難掃描所有未使用的物件以回收記憶體。不過，有一項實驗性研究指出，在程式執行期間建立的大多數物件，它們的存活時間都很短。

既然大多數物件的存活時間都很短，那麼我們就可以利用這個事實，從而提升垃圾回收的效率。該怎麼做呢？首先，JVM 將記憶體劃分為不同的“代”。接著，它將所有的物件都分類到這些記憶體“代”中，然後對這些“代”分別執行垃圾回收。這就是“分代垃圾回收”。

堆記憶體的“代”和分代垃圾回收過程

為了提升垃圾回收中的“標記清除”的效率，JVM 將對記憶體劃分成以下三個“代”：

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

Hotspot 堆記憶體結構

下面我將介紹每個“代”及其主要特徵。

新生代

所有建立不久的物件都存放在這裡。新生代被進一步分為以下兩個區域：

1. 伊甸區Eden：所有新建立的物件都在此處分配記憶體。
2. 倖存者區Survivor，分為 S0 和 S1：經歷過一次垃圾回收後，仍然存活的物件會被移動到兩個倖存者區中的一個。

物件分配

在新生代發生的分代垃圾回收被稱為 “次要回收Minor GC”（LCTT 譯註：也稱為“新生代回收Young GC”）。Minor GC 過程中的每個階段都是“停止世界Stop The World”（STW）的，這會導致其他應用程式暫停執行，直到垃圾回收結束。這也是次要回收更快的原因。

一句話總結：伊甸區存放了所有新建立的物件，當它的可用空間被耗盡，第一次垃圾回收就會被觸發。

填充伊甸區

次要回收：在該垃圾回收過程中，所有存活和死亡的物件都會被做上標記。其中，存活物件會被移動到 S0 倖存者區。當所有存活物件都被移動到了 S0，未被引用的物件就會被刪除。

拷貝被引用的物件

S0 中的物件年齡為 1，因為它們挺過了一次次要回收。此時，伊甸區和 S1 都是空的。

每當完成清理後，伊甸區就會再次接受新的存活物件。隨著時間的推移，伊甸區和 S0 中的某些物件被宣判死亡（不再被引用），並且伊甸區的可用空間也再次耗盡（填滿了），那麼次要回收 又將再次被觸發。

物件年齡增長

這一次，伊甸區和 S0 中的死亡和存活的物件會被做上標記。其中，伊甸區的存活物件會被移動到 S1，並且年齡增加至 1。S0 中的存活物件也會被移動到 S1，並且年齡增加至 2（因為它們挺過了兩次次要回收）。此時，伊甸區和 S0 又是空的了。每次次要回收之後，伊甸區和兩個倖存者區中的一個都會是空的。

新物件總是在伊甸區被建立，週而復始。當下一次垃圾回收發生時，伊甸區和 S1 都會被清理，它們中的存活物件會被移動到 S0 區。每次次要回收之後，這兩個倖存者區（S0 和 S1）就會交換一次。

額外年齡增長

這個過程會一直進行下去，直到某個存活物件的年齡達到了某個閾值，然後它就會被移動到一個叫做“老年代”的地方，這是通過一個叫做“晉升”的過程來完成的。

使用 -Xmn 選項可以設定新生代的大小。

老年代

這個區域存放著那些挺過了許多次次要回收，並且達到了某個年齡閾值的物件。

晉升

在上面這個示例圖表中，晉升的年齡閾值為 8。在老年代發生的垃圾回收被稱為 “主要回收Major GC”。（LCTT 譯註：也被稱為“全回收Full GC”）

使用 -Xms 和 -Xmx 選項可以分別設定堆記憶體大小的初始值和最大值。（LCTT 譯註：結合上面的 -Xmn 選項，就可以間接設定老年代的大小了。）

永久代

永久代存放著一些元資料，它們與應用程式、Java 標準環境以及 JVM 自用的庫類及其方法相關。JVM 會在執行時，用到了什麼類和方法，就會填充相應的資料。當 JVM 發現有未使用的類，就會解除安裝或是回收它們，從而為正在使用的類騰出空間。

使用 -XX:PermGen 和 -XX:MaxPerGen 選項可以分別設定永久代大小的初始值和最大值。

元空間

Java 8 引入了元空間Metaspace，並用它替換了永久代。這麼做的好處是自動調整大小，避免了 記憶體不足OutOfMemory（OOM）錯誤。

總結

本文討論了各種不同的 JVM 記憶體“代”，以及它們是如何在分代垃圾回收演算法中起作用的。對於程式設計師來說，掌握 Java 的記憶體管理機制並不是必須的，但它能夠幫助你更好地理解 JVM 處理程式中的變數和類例項的方式。這種理解使你能夠規劃和排除程式碼故障，並理解特定平臺固有的潛在限制。