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Java 垃圾回收机制 (分代垃圾回收ZGC)

什么是自动垃圾回收？

自动垃圾回收是一种在堆内存中找出哪些对象在被使用，还有哪些对象没被使用，并且将后者删掉的机制。所谓使用中的对象（已引用对象），指的是程序中有指针指向的对象；而未使用中的对象（未引用对象），则没有被任何指针给指向，因此占用的内存也可以被回收掉。

在用 C 之类的编程语言时，程序员需要自己手动分配和释放内存。而 Java 不一样，它有垃圾回收器，释放内存由回收器负责。本文接下来将介绍垃圾回收机制的基本过程。

第一步：标记

这个过程的第一步叫做标记。这一阶段，垃圾回收器识别哪些内存正在使用，哪些内存未被使用。

Java 垃圾回收机制 (分代垃圾回收ZGC)

被引用的对象以蓝色展示。未被引用的对象以金黄色展示。在标记阶段，所有对象都需要扫描并做出判断。如果系统中的所有对象都必须扫描到，这将是一个非常耗时的过程。

第二步：清除

这一步会删掉标记出的未引用对象。

Java 垃圾回收机制 (分代垃圾回收ZGC)

内存分配器会保留指向可用内存的引用，以供分配新对象。

压缩

为了提升性能，删除了未引用对象后，还可以将剩下的已引用对象放在一起（压缩），这样就能更简单快捷地分配新对象了。

Java 垃圾回收机制 (分代垃圾回收ZGC)

为什么使用分代垃圾回收?

如前所述，标记并整理所有JVM里的对象，效率是很低的。随着越来越多的对象被分配，对象列表不断增长，导致垃圾回收时间越来越长。然而，根据应用程序的经验分析，大多数的对象都是短命的。

下面是这类数据的一个例子。Y轴表示分配的字节数，X轴表示随着时间分配的字节数。

Java 垃圾回收机制 (分代垃圾回收ZGC)

正如你所看到的，随着时间的推移，仍然存活的对象越来越少。事实上，大多数对象的生命周期都很短，如图左侧较高的值所示。

JVM 分代

根据之前的规律，就可以用来提升 JVM 的效率了。方法是，把堆分成几个部分（就是所谓的分代），分别是新生代、老年代，以及永生代。

Java 垃圾回收机制 (分代垃圾回收ZGC)

新对象会被分配在新生代内存。一旦新生代内存满了，就会开始对死掉的对象，进行所谓的小型垃圾回收过程。一片新生代内存里，死掉的越多，回收过程就越快；至于那些还活着的对象，此时就会老化，并最终老到进入老年代内存。

Stop the World 事件 —— 小型垃圾回收属于一种叫 "Stop the World" 的事件。在这种事件发生时，所有的程序线程都要暂停，直到事件完成（比如这里就是完成了所有回收工作）为止。

老年代用来保存长时间存活的对象。通常，设置一个阈值，当达到该年龄时，年轻代对象会被移动到老年代。最终老年代也会被回收。这个事件成为 Major GC。

Major GC 也会触发STW（Stop the World）。通常，Major GC会慢很多，因为它涉及到所有存活对象。所以，对于响应性的应用程序，应该尽量避免Major GC。还要注意，Major GC的STW的时长受年老代垃圾回收器类型的影响。

永久代包含JVM用于描述应用程序中类和方法的元数据。永久代是由JVM在运行时根据应用程序使用的类来填充的。此外，Java SE类库和方法也存储在这里。

如果JVM发现某些类不再需要，并且其他类可能需要空间，则这些类可能会被回收。

分代垃圾回收过程

既然已经了解了为什么将堆分成不同的代，现在就该看看这些空间到底是如何交互的。下面的图片展示了JVM中对象分配和老化的过程。

首先，任何新对象都在Eden区分配。两个survivor区都是空的。

Java 垃圾回收机制 (分代垃圾回收ZGC)

当Eden区满了，触发一次Minor GC。

Java 垃圾回收机制 (分代垃圾回收ZGC)

被引用的对象被移动到第一个Survivor区，未被引用的对象会在Eden区清除时一并删除。

Java 垃圾回收机制 (分代垃圾回收ZGC)

在下一次Minor GC中，Eden区也会做同样的操作。删除未被引用的对象，并将被引用的对象移动到Survivor区。然而，这里，他们被移动到了第二个Survivor区（S1）。此外，第一个Survivor区（S0）中，在上一次Minor GC幸存的对象，会增加年龄，并被移动到S1中。待所有幸存对象都被移动到S1后，S0和Eden区都会被清空。注意，Survivor区中有了不同年龄的对象。

Java 垃圾回收机制 (分代垃圾回收ZGC)