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一文学会 Java 垃圾回收机制

垃圾回收机制是 Java 非常重要的特性之一，也是面试题的常客。它让开发者无需关注空间的创建和释放，而是以守护进程的形式在后台自动回收垃圾。这样做不仅提高了开发效率，更改善了内存的使用状况。

今天本文来对垃圾回收机制进行讲解，主要涉及下面几个问题：

什么是堆内存？
什么是垃圾？
有哪些方法回收这些垃圾？
什么是分代回收机制？

什么是 Java 堆内存

堆是在 JVM 启动时创建的，主要用来维护运行时数据，如运行过程中创建的对象和数组都是基于这块内存空间。Java 堆是非常重要的元素，如果我们动态创建的对象没有得到及时回收，持续堆积，最后会导致堆空间被占满，内存溢出。

因此，Java 提供了一种垃圾回收机制，在后台创建一个守护进程。该进程会在内存紧张的时候自动跳出来，把堆空间的垃圾全部进行回收，从而保证程序的正常运行。

那什么是垃圾呢？

所谓“垃圾”，就是指所有不再存活的对象。常见的判断是否存活有两种方法：引用计数法和可达性分析。

引用计数法

为每一个创建的对象分配一个引用计数器，用来存储该对象被引用的个数。当该个数为零，意味着没有人再使用这个对象，可以认为“对象死亡”。但是，这种方案存在严重的问题，就是无法检测“循环引用”：当两个对象互相引用，即时它俩都不被外界任何东西引用，它俩的计数都不为零，因此永远不会被回收。而实际上对于开发者而言，这两个对象已经完全没有用处了。

因此，Java 里没有采用这样的方案来判定对象的“存活性”。

可达性分析

这种方案是目前主流语言里采用的对象存活性判断方案。基本思路是把所有引用的对象想象成一棵树，从树的根结点 GC Roots 出发，持续遍历找出所有连接的树枝对象，这些对象则被称为“可达”对象，或称“存活”对象。其余的对象则被视为“死亡”的“不可达”对象，或称“垃圾”。

参考下图，object5,object6和object7便是不可达对象，视为“死亡状态”，应该被垃圾回收器回收。

GC Roots 究竟指谁呢？

我们可以猜测，GC Roots 本身一定是可达的，这样从它们出发遍历到的对象才能保证一定可达。那么，Java 里有哪些对象是一定可达呢？主要有以下四种：

虚拟机栈（帧栈中的本地变量表）中引用的对象。
方法区中静态属性引用的对象。
方法区中常量引用的对象。
本地方法栈中JNI引用的对象。

不少读者可能对这些 GC Roots 似懂非懂，这涉及到 JVM 本身的内存结构等等，未来的文章会再做深入讲解。这里只要知道有这么几种类型的 GC Roots，每次垃圾回收器会从这些根结点开始遍历寻找所有可达节点。

有哪些方式来回收这些垃圾呢？

上面已经知道，所有GC Roots不可达的对象都称为垃圾，参考下图，黑色的表示垃圾，灰色表示存活对象，绿色表示空白空间。

那么，我们如何来回收这些垃圾呢？

标记－清理

第一步，所谓“标记”就是利用可达性遍历堆内存，把“存活”对象和“垃圾”对象进行标记，得到的结果如上图；第二步，既然“垃圾”已经标记好了，那我们再遍历一遍，把所有“垃圾”对象所占的空间直接 清空 即可。

结果如下：

这便是 标记－清理 方案， 简单方便 ，但是容易产生 内存碎片 。

标记－整理

既然上面的方法会产生内存碎片，那好，我在清理的时候，把所有 存活 对象扎堆到同一个地方，让它们待在一起，这样就没有内存碎片了。

结果如下：

这两种方案适合 存活对象多，垃圾少

的情况，它只需要清理掉少量的垃圾，然后挪动下存活对象就可以了。

复制

这种方法比较粗暴，直接把堆内存分成两部分，一段时间内只允许在其中一块内存上进行分配，当这块内存被分配完后，则执行垃圾回收，把所有 存活 对象全部复制到另一块内存上，当前内存则直接全部清空。

参考下图：

起初时只使用上面部分的内存，直到内存使用完毕，才进行垃圾回收，把所有存活对象搬到下半部分，并把上半部分进行清空。

这种做法不容易产生碎片，也简单粗暴；但是，它意味着你在一段时间内只能使用一部分的内存，超过这部分内存的话就意味着堆内存里频繁的 复制清空 。

这种方案适合 存活对象少，垃圾多 的情况，这样在复制时就不需要复制多少对象过去，多数垃圾直接被清空处理。

Java 的分代回收机制

上面我们看到有至少三种方法来回收内存，那么 Java 里是如何选择利用这三种回收算法呢？是只用一种还是三种都用呢？

Java 的堆结构

在选择回收算法前，我们先来看一下 Java 堆的结构。

一块 Java 堆空间一般分成三部分，这三部分用来存储三类数据：

刚刚创建的对象。在代码运行时会持续不断地创造新的对象，这些新创建的对象会被统一放在一起。因为有很多局部变量等在新创建后很快会变成 不可达 的对象， 快速死去 ，因此这块区域的特点是 存活对象少，垃圾多 。形象点描述这块区域为： 新生代 ；
存活了一段时间的对象。这些对象早早就被创建了，而且一直活了下来。我们把这些 存活时间较长 的对象放在一起，它们的特点是 存活对象多，垃圾少 。形象点描述这块区域为： 老年代 ；
永久存在的对象。比如一些静态文件，这些对象的特点是不需要垃圾回收，永远存活。形象点描述这块区域为： 永久代 。（不过在 Java 8 里已经把 永久代 删除了，把这块内存空间给了 元空间 ，后续文章再讲解。）

也就是说，常规的 Java 堆至少包括了 新生代 和 老年代 两块内存区域，而且这两块区域有很明显的特征：

新生代：存活对象少、垃圾多
老年代：存活对象多、垃圾少

结合新生代／老年代的存活对象特点和之前提过的几种垃圾回收算法，可以得到如下的回收方案：

新生代－ `复制` 回收机制

对于新生代区域，由于每次 GC 都会有大量新对象死去，只有少量存活。因此采用 复制 回收算法，GC 时把少量的存活对象复制过去即可。

那么如何设计这个 复制 算法比较好呢？有以下几种方式：

思路1. 把内存均分成 `1:1` 两等份

如下图拆分内存。

每次只使用一半的内存，当这一半满了后，就进行垃圾回收，把存活的对象直接复制到另一半内存，并清空当前一半的内存。

这种分法的缺陷是相当于只有一半的可用内存，对于新生代而言，新对象持续不断地被创建，如果只有一半可用内存，那显然要持续不断地进行垃圾回收工作，反而影响到了正常程序的运行，得不偿失。

思路2. 把内存按 `9:1` 分

既然上面的分法导致可用内存只剩一半，那么我做些调整，把 1:1 变成 9:1 ，

最开始在 9 的内存区使用，当 9 快要满时，执行复制回收，把 9 内仍然存活的对象复制到 1 区，并清空 9

区。

这样看起来是比上面的方法好了，但是它存在比较严重的问题。

当我们把 9 区存活对象复制到 1 区时，由于内存空间比例相差比较大，所以很有可能 1 区放不满，此时就不得不把对象移到 老年区 。而这就意味着，可能会有一部分 并不老 的 9 区对象由于 1 区放不下了而被放到了 老年区 ，可想而知，这破坏了 老年区 的规则。或者说，一定程度上的 老年区 并不一定全是 老年对象 。

那应该如何才能把真正比较 老 的对象挪到 老年区 呢？

思路3. 把内存按 `8:1:1` 分

既然 9:1 有可能把年轻对象放到 老年区 ，那就换成 8:1:1 ，依次取名为 Eden 、 Survivor A 、 Survivor B 区，其中 Eden 意为伊甸园，形容有很多新生对象在里面创建； Survivor

区则为幸存者，即经历 GC 后仍然存活下来的对象。

工作原理如下：

首先， Eden 区最大，对外提供堆内存。当 Eden 区快要满了，则进行 Minor GC ，把存活对象放入 Survivor A 区，清空 Eden 区；
Eden 区被清空后，继续对外提供堆内存；
当 Eden 区再次被填满，此时对 Eden 区和 Survivor A 区同时进行 Minor GC ，把存活对象放入 Survivor B 区，同时清空 Eden 区和 Survivor A 区；
Eden 区继续对外提供堆内存，并重复上述过程，即在 Eden 区填满后，把 Eden 区和某个 Survivor 区的存活对象放到另一个 Survivor 区；
当某个 Survivor 区被填满，且仍有对象未被复制完毕时，或者某些对象在反复 Survive 15 次左右时，则把这部分剩余对象放到 Old 区；
当 Old 区也被填满时，进行 Major GC ，对 Old 区进行垃圾回收。