被說爛了的Java垃圾回收算法，我帶來了最“清新脫俗”的詳細圖解

一、概況

理解JAVA虛擬機垃圾回收機制的底層原理，是系統調優與線上問題排查的基礎，也是一個高級Java程序員的基本功，本文就針對Java垃圾回收這一主題做一些整理與記錄。Java垃圾回收器的種類繁多，它們的設計要在吞吐量（內存空間）與實時性（用戶線程中斷）方面進行權衡，各個垃圾回收器的適應場景也不盡相同（如：桌面應用，web應用），因此，這里我們只討論JDK8下的默認垃圾回收器，畢竟目前JDK8版本是業界的主流（占80%），并且我們只討論堆內存空間的垃圾回收。

JDK8下的默認垃圾回收器：UseParallelGC ： Parallel （新生代）+ （老年代）堆內存回收機制

二、如何判斷對象是否可回收？

首先思考一個問題，內存堆中那么多對象，回收器要回收哪些對象？怎么判斷出這些要回收的對象呢？因此對于垃圾回收，判斷并標識對象是否可回收是第一步。從理論層面來說，判斷對象是否可回收一般兩種方法。

第一種、引用計數器算法：每當對象被引用一次計數器加1，對象失去引用計數器減1，計數器為0是就可以判斷對象死亡了。這種算法簡單高效，但是對于循環引用或其他復雜情況，需要更多額外的開銷，因此Java幾乎不使用該算法。

第二種、根搜索算法-可達性分析算法：所謂可達性分析是指，順著GCRoots根一直向下搜索（用一個成語概括就是“順藤摸瓜”），整個搜索的過程就構成了一條“引用鏈”，只要在引用鏈上的對象叫做可達，在引用鏈之外的（說明跟GCRoots沒有任何關系）叫不可達，不可達的對象就可以判斷為可回收的對象。哪些對象可作為GCRoots對象呢？包括如下：

虛擬機棧幀上本地變量表中的引用對象（方法參數、局部變量、臨時變量）
方法區中的靜態屬性引用類型對象、常量引用對象
本地方法棧中的引用對象（Native方法的引用對象）
Java虛擬機內部的引用對象，如異常對象、系統類加載器等
所以被同步鎖（synchronize）持有的對象
Java虛擬機內部情況的注冊回調、本地緩存等

如果對虛擬機的內存布局與運行流程有所了解的話，這些作為GCRoots都很好理解，它們是程序運行時的源頭，程序的正常運行必須依賴它們，而與這些源頭沒有任何關系的對象，即可視為可回收對象。就好比“瓜從藤上掉下來了，那這瓜肯定也沒有用了”

?GCRoots可達性分析不可達對象

可達性分析

可達性分析從理論上很好理解，但在垃圾收集器具體運行時，要考慮的問題不知道要復雜多少倍，因為在可達性分析的同時，程序也是在并行運行著，整個內存堆的狀態隨著程序的運行是實時變化的，要實

現分析結果與內存狀態的一致性，就必須要暫停用戶線程，在一個快照去進行分析。

三、垃圾回收算法

可達性分析解決了判斷對象是否可回收的問題，那么在垃圾回收時內存空間會發生哪些變化呢？這就是垃圾回收算法要討論的問題，我們根據算法對內存采取的不同操作，可將垃圾回收算法分為3種，標記-清除算法、標記-復制算法、標記-整理算法。

3.1 標記-清除算法

根據名稱就可以理解改算法分為兩個階段：首先標記出所有需要被回收的對象，然后對標記的對象進行統一清除，清空對象所占用的內存區域，下圖展示了回收前與回收后內存區域的對比，紅色的表示可回收對象，橙色表示不可回收對象，白色表示內存空白區域。

標記-清除算法垃圾回收前后內存區域對比

標記-清除算法的兩個缺點：

第一個：是執行效率不可控，試想一下如果堆中大部分的對象都可回收的，收集器要執行大量的標記、收集操作。

第二個：產生了許多內存碎片，通過回收后的內存狀態圖可以知道，被回收后的區域內存并不是連續的，當有大對象要分配而找不到滿足大小的空間時，要觸發下一次垃圾收集。

3.2 標記-復制算法

針對標記-清除算法執行效率與內存碎片的缺點，計算機科學家又提出了一種“半復制區域”的算法。

標記-復制算法將內存分為大小相同的兩個區域，運行區域，預留區域，所有創建的新對象都分配到運行區域，當運行區域內存不夠時，將運作區域中存活對象全部復制到預留區域，然后再清空整個運行區域內存，這時兩塊區域的角色也發生了變化，每次存活的對象就像皮球一下在運行區域與預留區域踢來踢出，而垃圾對象會隨著整個區域內存的清空而釋放掉，內存前后的狀態參考下圖：

?標記-復制算法回收前后內存對比

標記-復制算法在大量垃圾對象的情況下，只需復制少量的存活對象，并且不會產生內存碎片問題，新內存的分配只需要移動堆頂指針順序分配即可，很好的兼顧了效率與內存碎片的問題。

標注-復制算法也存在缺點

預留一半的內存區域未免有些浪費了，并且如果內存中大量的是存活狀態，只有少量的垃圾對象，收集器要執行更多次的復制操作才能釋放少量的內存空間，得不償失。

3.3 標記-整理算法

標記-復制算法要浪費一半內存空間，且在大多數狀態為存活狀態時使用效率會很低，針對這一情況計算機科學家又提出了一種新的算法“標記-整理算法”，標記整理算法的標記階段與其他算法一樣，但是在整理階段，算法將存活的對象向內存空間的一端移動，然后將存活對象邊界以外的空間全部清空，如下圖所示：

?標記-整理算法回收前后內存對比

標記整理算法解決了內存碎片問題，也不存在空間的浪費問題，看上去挺美好的。但是，當內存中存活對象多，并且都是一些微小對象，而垃圾對象少時，要移動大量的存活對象才能換取少量的內存空間。

不同的垃圾回收算法都有各自的優缺點，適應于不同的垃圾回收場景

四、新生代、老年代堆內存結構

Java 堆內存空間新生代、老年代是如何劃分的？對象創建后是如何分配到不同的區域的？結合下圖可以知道，整個堆內存被分為了2個大的區域，新生代，老年代，默認情況下新生代占1/3的空間，老年代占2/3的空間，新生代又分為兩個區 Eden區Survial區，Survial又分為S0、S1區默認各占8/10與1/10，1/10的空間。

?年輕代老年代堆空間結構

為什么要這么設計呢？為什么要分那么多不同的內存區域干嘛？這是由對象的生命周期特征、與各類垃圾回收算法的優缺點所決定的，這正式垃圾回收器設計的理論基礎。經過統計分析，大多數應用程序對象生命周期符合兩個特征：

垃圾回收的理論基礎

絕大多數的對象都是“朝生夕滅”的，既創建不久即可消亡;
熬過越多此垃圾回收過程的對象就越難以消亡;

一塊獨立的內存區域只能使用一種回收算法，根據對象生命周期特征，將其劃分到不同的區域，再對特定區域使用特定的垃圾回收算法，只有這樣才能將垃圾算法的優點發揮到極致，這種組合的垃圾回收算法叫：分代垃圾算法。。比如：在新生代使用標記-復制算法，在老年代使用標記-整理算法。

五、堆內存回收過程詳解

我們分析了如何判斷對象是否可回收，還有3中基礎的垃圾回收算法，以及年輕代、老年代的內存區域劃分與原因。接下來我們就一步一步來分析堆內存的回收流程。

5.1 內存初始狀態

假設在第一垃圾回收之前，內存中的狀態如圖所示，Eden區有2個存活對象，3個垃圾對象，內存的可用區域已經所剩無幾，Survivor區因為還沒有進行任何MinorGC所以是空的，有1個大對象直接分配到了老年代，

垃圾回收初始狀態

5.2 第1次執行MinorGC后狀態

當新的對象分配到Eden區，發現內存空間不夠，于是觸發第一次MinorGC，垃圾回收器首先將Edne區中的兩個存活對象復制到S0區，然后在清空Eden區的空間，如下圖：

?第一次MinorGC內存狀態

5.3 程序運行一段時間后狀態

經過第1次MinorGC程序再運行一段時間后，堆內存狀態如下：Eden區又產生了大量的對象，并且大部分對象都可回收狀態，這也符合對象“朝生夕滅”的特征，S0區中也有1個對象可以回收，S1與老年代沒有變化，在這種狀態下，如果新對象分配再次觸發MinorGC會發生什么呢？

?程序運行一度時間后的狀態

5.4 執行第2次MinorGC后狀態

新對象分配Eden區空間不足，又觸發了第二次MinorGC，第二次MinorGC與第一次GC時在Eden區的操作是一樣的：將Eden區存活的對象復制到S1區，然后在清空整個Eden區，同時也將S0區存活的對象復制到S1區并將對象的年齡加1，再清空S0區，GC后的狀態如下圖所示：

?執行第二次MinorGC后狀態

5.5 第2MinorGC程序運行一段時間后狀態

經過第二MinorGC后程序又運行了一段時間，Eden區中有生成了很多對象，S1區也有一個對象可回收。

第二MinorGC程序運行一段時間后狀態

5.6 第15MinorGC后內存狀態

在接下來的每次MinorGC時，都是第二次一樣，從Eden區和survivor非空白區移動存活對象到survivor區中空白區域，并清空這兩個區域內存空間，存活對象每此從survivor兩個區域移動一次，對象年齡加1，下圖表示經過了15次MinorGC后的堆內存狀態。

?經過15次MinorGC后的內存狀態

對于年輕代區域的內存收集，使用的是標記-復制算法，只是為了減少復制算法空白區域的內存浪費，并不是將內存一份為二，而是巧妙的將內存分為三個區域，預留的空白區域只占整個年輕代區域的1/10。

5.7 對象如何進入老年代

以上是年輕代的分配與回收問題，那對象如何進入老年代呢？個人認為對象進入老年代，可以分為2種類型6種情況。

?對象晉升入老年代

第一種類型--直接分配：對象創建時直接分配到老年代具體分為3種情況。

超過虛擬機PretenureSizeThreshold參數設置大小的對象，該參數的默認值是0，也就是說任何大小的對象都會先分配到Eden區。
超過Eden大小的對象
如果新生代分配失敗，一個大數組或者大字符串

第二種類型--從年輕代晉升：從年輕代空間晉升到老年代也可分為3種情況。

新生代分配擔保，在執行MinorGC時要將Eden區存活的對象復制到Survivor區，但是Survivor區默認空間是只有新生代的2/10，實際使用的只有1/10，當Survivor區內存不夠所有存活對象分配時，就需要將Survivor無法容納的對象分配到老年代去，這種機制就叫分配擔保。

對象年齡超過虛擬機MaxTenuringThreshold的設置值，最大為15，
Survivor空間中相同年齡所有對象大小的總和大于Survivor空間的一半（TargetSurvivorRatio），年齡大于或等于該年齡的對象直接進入老年代。

內存分配擔保機制

在執行MinorGC時要將Eden區存活的對象復制到Survivor區，但是Survivor區默認空間是只有新生代的2/10，實際使用的只有1/10，當Survivor區內存不夠所有存活對象分配時，就需要Survivor無法容納將對象分配到老年代空間中，這種機制就叫分配擔保，但是，老年代的空間也是有限的，如果老年代中空間也不夠的話，那只能乖乖的執行一次FullGC了。