引子

说到虚拟机的垃圾回收机制，学过JVM的同学可能都略知一二。Eden、Survivor、Minor GC、G1这个名词萦绕耳边，但往往又无法详细的描述清楚，下面我们就GC的原理做一些讲解，清晰的记住下面几点有助于帮助你理解JVM。

正文

1、GC的概念

(1)GC：Garbage Collection垃圾收集。这里所谓的垃圾是指系统运行过程中在Java堆中所产生的一些无用的对象，这些对象占据着一定的内存空间，如果长期不被释放，可能导致OOM。

(2)事实上，GC的历史比Java久远，1960年诞生于MIT的Lisp是第一门真正使用内存动态分配和垃圾收集技术的语言。当Lisp还在胚胎时期时，人们就在思考GC需要完成的3件事情：

哪些内存需要回收？

什么时候回收？

如何回收？

(3)内存区域中的程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈这3个区域随着线程而生，线程而灭；栈中的栈帧随着方法的进入和退出而有条不紊地执行着出栈和入栈的操作，每个栈帧中分配多少内存基本是在类结构确定下来时就已知的。在这几个区域不需要过多考虑回收的问题，因为方法结束或者线程结束时，内存自然就跟着回收了。

2、Java堆的内存管理机制

上文中已经说到需要垃圾回收的是Java堆中的内存，所以在讲解回收机制前咱们先聊聊堆的内存管理。

所有通过new创建的对象都在堆中分配，堆被划分为新生代和老年代，新生代又被进一步划分为Eden和Survivor区，而Survivor由FromSpace和ToSpace组成。也有些人喜欢用Survivor1和Survivor2来代替。

那么为什么要将新生代分成3个部分呢？

新生代中的98%的对象都是朝生夕死的，所以将内存分为一块较大的Eden和两块较小的Survivor1、Survivor2，JVM默认分配是8:1:1，当发生回收的时候，将Eden和Survivor1(FromSpace)存活的对象复制到Survivor2(ToSpace)，然后直接清理掉Eden和Survivor1的空间。

新生代：新创建的对象都是用新生代分配内存，Eden空间不足时，触发Minor GC，这时会把存活的对象转移进Survivor区。

老年代：老年代用于存放经过多次Minor GC之后依然存活的对象。

结构图如下：(图中永久代从java8后已取消)

3、GC垃圾回收步骤

如下图：

(1)绝大多数刚刚被创建的对象会存放在伊甸园空间。(2)在伊甸园空间执行了第一次GC之后，存活的对象被移动到其中一个幸存者空间。(3)此后，在伊甸园空间执行GC之后，存活的对象会被堆积在同一个幸存者空间。(4)当一个幸存者空间饱和，还在存活的对象会被移动到另一个幸存者空间。之后会清空已经饱和的那个幸存者空间。(5)在以上的步骤中重复几次依然存活的对象，就会被移动到老年代。

如果你仔细观察这些步骤就会发现，其中一个幸存者空间必须保持是空的。如果两个幸存者空间都有数据，或者两个空间都是空的，那一定标志着你的系统出现了错误。

4、GC的类型和工作原理

新生代的GC(Minor GC)包括：串行GC(SerialGC)、并行回收GC(ParallelScavenge)、并行GC(ParNew)

串行GC(SerialGC)

在整个扫描和复制过程采用单线程的方式来进行，适用于单CPU、新生代空间较小及对暂停时间要求不是非常高的应用上，是client级别默认的GC方式，可以通过-XX:+UseSerialGC来强制指定。

并行回收GC(ParallelGC)

在整个扫描和复制过程采用多线程的方式来进行，适用于多CPU、对暂停时间要求较短的应用上，是server级别默认采用的GC方式，可用-XX:+UseParallelGC来强制指定，用-XX:ParallelGCThreads=4来指定线程数。

并行GC(ParNewGC)

ParNew是许多运行在Server模式下的虚拟机中首选的新生代收集器，在JDK1.6以及之前的版本中，除了Serial收集器外，只有它能与CMS收集器配合工作。用 -XX:+UseParNewGC选项来强制指定它。

老年代的GC(Major GC/Full GC)包括：串行GC(Serial MSC)、并行GC(Parallel MSC)、并发GC(CMS)

串行GC(Serial MSC)

client模式下的默认GC方式，可通过-XX:+UseSerialGC强制指定。每次进行全部回收，进行Compact，非常耗费时间。

并行GC(Parallel MSC)

server模式下的默认GC方式，也可用-XX:+UseParallelGC=强制指定。可以在选项后加等号来制定并行的线程数。吞吐量大，但是GC的时候响应很慢

并发GC(CMS)

使用CMS是为了减少GC执行时的停顿时间，垃圾回收线程和应用线程同时执行，响应比并行GC快很多，但是牺牲了一定的吞吐量。可以使用-XX:+UseConcMarkSweepGC=指定使用，后边接等号指定并发线程数。CMS每次回收只停顿很短的时间，分别在开始的时候和中间的时候，第二次时间略长。CMS一个比较大的问题是碎片和浮动垃圾问题(Floating Gabage)。碎片是由于CMS默认不对内存进行Compact所致，可以通过-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection强制Compact。

官方推荐的G1

G1收集器的设计初衷是为了尽量缩短处理超大堆(大于4GB)时产生的停顿。相对于CMS的优势而言是内存碎片的产生率大大降低。使用-XX:+UseG1GC强制开启。其次，G1将新生代，老年代的物理空间划分取消了。这样我们再也不用单独的空间对每个代进行设置了，不用担心每个代内存是否足够。

取而代之的是，G1算法将堆划分为若干个区域(Region)，它仍然属于分代收集器。不过，这些区域的一部分包含新生代，新生代的垃圾收集依然采用暂停所有应用线程的方式，将存活对象拷贝到老年代或者Survivor空间。老年代也分成很多区域，G1收集器通过将对象从一个区域复制到另外一个区域，完成了清理工作。这就意味着，在正常的处理过程中，G1完成了堆的压缩(至少是部分堆的压缩)，这样也就不会有cms内存碎片问题的存在了。

在G1中，还有一种特殊的区域，叫Humongous区域。 如果一个对象占用的空间超过了分区容量50%以上，G1收集器就认为这是一个巨型对象。这些巨型对象，默认直接会被分配在年老代，但是如果它是一个短期存在的巨型对象，就会对垃圾收集器造成负面影响。为了解决这个问题，G1划分了一个Humongous区，它用来专门存放巨型对象。如果一个H区装不下一个巨型对象，那么G1会寻找连续的H分区来存储。为了能找到连续的H区，有时候不得不启动Full GC。

在此我们不对G1做过多的展开，如果大家对此感兴趣可在评论区留言，我会单独展开一个话题讨论。

5、GC的算法

上面讲的每种GC类型都包含不同的算法，下面将GC用到的算法进行讲解

引用计数法 Reference Counting

给对象添加一个引用计数器，每多一个引用，计数器值就+1，少一个引用就-1。当它的引用变为0时，该对象就不能再被使用。它的实现简单，但是不能解决互相循环引用的问题。

根搜索算法 GC Roots Tracing

以一系列叫“GC Roots”的对象为起点开始向下搜索，走过的路径称为引用链(Reference Chain)，当一个对象没有和任何引用链相连时，证明此对象是不可达的。那么它就会被判定为是可回收的对象。

JAVA里可作为GC Roots的对象

• 虚拟机栈中引用的对象
• 方法区中的类静态属性引用的对象(java8已放入堆)
• 方法区中的常量引用的对象 (java8已放入堆)
• 本地方法栈中JNI(即Native方法)的引用的对象

标记-清除算法 Mark-Sweep

这是一个非常基本的GC算法，它是现代GC算法的思想基础，分为标记和清除两个阶段：先把所有活动的对象标记出来，然后把没有被标记的对象统一清除掉。但是它有两个问题，一是效率问题，两个过程的效率都不高。二是空间问题，清除之后会产生大量不连续的内存。

复制算法 Copying

复制算法是将原有的内存空间分成两块，每次只使用其中的一块。在GC时，将正在使用的内存块中的存活对象复制到未使用的那一块中，然后清除正在使用的内存块中的所有对象，并交换两块内存的角色，完成一次垃圾回收。它比标记-清除算法要高效，但不适用于存活对象较多的内存，因为复制的时候会有较多的时间消耗。它的致命缺点是会有一半的内存浪费。

标记整理算法 Mark-Compact

标记整理算法适用于存活对象较多的场合，它的标记阶段和标记-清除算法中的一样。整理阶段是将所有存活的对象压缩到内存的一端，之后清理边界外所有的空间。它的效率也不高。

总结

JVM的垃圾回收机制感觉起来复杂，但如果看了上面的内容其实也并不难理解。这对于JVM虚拟机的学习以及JAVA异常处理和调优也有很大帮助。对于JVM还有哪些内容大家需要了解，可在评论区留言。我会单独写文章给陈述。