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JVM 垃圾回收的工作原理
对于程序员来说，掌握 Java 的内存管理机制并不是必须的，但它能够帮助你更好地理解 JVM 是如何处理程序中的变量和类实例的。
Java 之所以能够如此流行，自动 垃圾回收（GC）功不可没，它也是 Java 最重要的几个特性之一。在这篇文章中，我将说明为什么垃圾回收如此重要。本文的主要内容为：自动的分代垃圾回收、JVM 划分内存的依据，以及 JVM 垃圾回收的工作原理。
Java 内存分配
Java 程序的内存空间被划分为以下四个区域：
- 堆区：对象实例就是在这个区域分配的。不过，当我们声明一个对象时，堆中不会发生任何内存分配，只是在栈中创建了一个对象的引用而已。
- 栈区：方法、局部变量和类的实例变量就是在这个区域分配的。
- 代码区：这个区域存放了程序的字节码。
- 静态区：这个区域存放了程序的静态数据和静态方法。
什么是自动垃圾回收？
自动垃圾回收是这样一个过程：首先，堆中的所有对象会被分类为“被引用的”和“未被引用的”；接着，“未被引用的对象”就会被做上标记，以待之后删除。其中，“被引用的对象”是指程序中的某一部分仍在使用的对象，“未被引用的对象”是指目前没有正在被使用的对象。
许多编程语言，例如 C 和 C++，都需要程序员手动管理内存的分配和释放。在 Java 中，这一过程是通过垃圾回收机制来自动完成的（尽管你也可以在代码中调用 system.gc(); 来手动触发垃圾回收）。
垃圾回收的基本步骤如下：
1、标记已使用和未使用的对象
在这一步骤中，已使用和未使用的对象会被分别做上标记。这是一个及其耗时的过程，因为需要扫描内存中的所有对象，才能够确定它们是否正在被使用。
2、扫描/删除对象
有两种不同的扫描和删除算法：
简单删除（标记清除）：它的过程很简单，我们只需要删除未被引用的对象即可。但是，后续给新对象分配内存就会变得很困难了，因为可用空间被分割成了一块块碎片。
删除压缩（标记整理）：除了会删除未被引用的对象，我们还会压缩被引用的对象（未被删除的对象）。这样以来，新对象的内存分配就相对容易了，并且内存分配的效率也有了提升。
什么是分代垃圾回收，为什么需要它？
正如我们在“扫描删除”模型中所看到的，一旦对象不断增长，我们就很难扫描所有未使用的对象以回收内存。不过，有一项实验性研究指出，在程序执行期间创建的大多数对象，它们的存活时间都很短。
既然大多数对象的存活时间都很短，那么我们就可以利用这个事实，从而提升垃圾回收的效率。该怎么做呢？首先，JVM 将内存划分为不同的“代”。接着，它将所有的对象都分类到这些内存“代”中，然后对这些“代”分别执行垃圾回收。这就是“分代垃圾回收”。
堆内存的“代”和分代垃圾回收过程
为了提升垃圾回收中的“标记清除”的效率，JVM 将对内存划分成以下三个“代”：
- 新生代
- 老年代
- 永久代
下面我将介绍每个“代”及其主要特征。
新生代
所有创建不久的对象都存放在这里。新生代被进一步分为以下两个区域：
- 伊甸区：所有新创建的对象都在此处分配内存。
- 幸存者区，分为 S0 和 S1：经历过一次垃圾回收后，仍然存活的对象会被移动到两个幸存者区中的一个。
在新生代发生的分代垃圾回收被称为 “次要回收”（LCTT 译注：也称为“新生代回收”）。Minor GC 过程中的每个阶段都是“停止世界”（STW）的，这会导致其他应用程序暂停运行，直到垃圾回收结束。这也是次要回收更快的原因。
一句话总结：伊甸区存放了所有新创建的对象，当它的可用空间被耗尽，第一次垃圾回收就会被触发。
次要回收：在该垃圾回收过程中，所有存活和死亡的对象都会被做上标记。其中，存活对象会被移动到 S0 幸存者区。当所有存活对象都被移动到了 S0，未被引用的对象就会被删除。
S0 中的对象年龄为 1，因为它们挺过了一次次要回收。此时，伊甸区和 S1 都是空的。
每当完成清理后，伊甸区就会再次接受新的存活对象。随着时间的推移，伊甸区和 S0 中的某些对象被宣判死亡（不再被引用），并且伊甸区的可用空间也再次耗尽（填满了），那么次要回收 又将再次被触发。
这一次，伊甸区和 S0 中的死亡和存活的对象会被做上标记。其中，伊甸区的存活对象会被移动到 S1，并且年龄增加至 1。S0 中的存活对象也会被移动到 S1，并且年龄增加至 2（因为它们挺过了两次次要回收）。此时，伊甸区和 S0 又是空的了。每次次要回收之后，伊甸区和两个幸存者区中的一个都会是空的。
新对象总是在伊甸区被创建，周而复始。当下一次垃圾回收发生时，伊甸区和 S1 都会被清理，它们中的存活对象会被移动到 S0 区。每次次要回收之后，这两个幸存者区（S0 和 S1）就会交换一次。
这个过程会一直进行下去，直到某个存活对象的年龄达到了某个阈值，然后它就会被移动到一个叫做“老年代”的地方，这是通过一个叫做“晋升”的过程来完成的。
使用 -Xmn 选项可以设置新生代的大小。
老年代
这个区域存放着那些挺过了许多次次要回收，并且达到了某个年龄阈值的对象。
在上面这个示例图表中，晋升的年龄阈值为 8。在老年代发生的垃圾回收被称为 “主要回收”。（LCTT 译注：也被称为“全回收”）
使用 -Xms 和 -Xmx 选项可以分别设置堆内存大小的初始值和最大值。（LCTT 译注：结合上面的 -Xmn 选项，就可以间接设置老年代的大小了。）
永久代
永久代存放着一些元数据，它们与应用程序、Java 标准环境以及 JVM 自用的库类及其方法相关。JVM 会在运行时，用到了什么类和方法，就会填充相应的数据。当 JVM 发现有未使用的类，就会卸载或是回收它们，从而为正在使用的类腾出空间。
使用 -XX:PermGen 和 -XX:MaxPerGen 选项可以分别设置永久代大小的初始值和最大值。
元空间
Java 8 引入了元空间，并用它替换了永久代。这么做的好处是自动调整大小，避免了 内存不足（OOM）错误。
总结
本文讨论了各种不同的 JVM 内存“代”，以及它们是如何在分代垃圾回收算法中起作用的。对于程序员来说，掌握 Java 的内存管理机制并不是必须的，但它能够帮助你更好地理解 JVM 处理程序中的变量和类实例的方式。这种理解使你能够规划和排除代码故障，并理解特定平台固有的潜在限制。
正文配图来自：Jayashree Huttanagoudar，CC BY-SA 4.0
via: https://opensource.com/article/22/6/garbage-collection-java-virtual-machine
作者：Jayashree Huttanagoudar 选题：lkxed 译者：lkxed 校对：wxy