搞懂 GC 全過程，就用我這 12 張圖
源 / 二馬讀書 文 / 馬哥
作者簡介：曾任職於阿里巴巴，每日優鮮等互聯網公司，任技術總監，15 年電商互聯網經歷。
最近有些讀者反應：看了很多網上關於 JVM 的文章，但是大部分文章不夠通俗易懂，看不太明白。希望筆者能寫幾篇關於 JVM 的文章，剛好我也有這方面的打算。
GC - 垃圾回收，是 Java 程序員長聊的話題，理解 JVM 垃圾回收的原理和過程，不但有助於寫出高質量高性能的代碼，也可以幫你在面試官面前侃侃而談！
讀完本文，對垃圾回收過程、以及回收算法在垃圾回收中的應用，將會有一個全新的認識和理解。
堆內存結構
我們以 Java 官方的 HotSpot JVM 爲例，在描述 GC 過程前，先了解一下堆內存的結構。
JVM 將堆內存分爲了三部分：新生代（Young Generation），老年代（Old Generation），永久代（Permanent Generation）。其中新生代又分爲三部分：伊甸園區（Eden），和兩個倖存區 S0 和 S1。
注：JDK1.8 之後，Java 官方的 HotSpot JVM 去掉了永久代，取而代之的是元數據區 Metaspace。Metaspace 使用的是本地內存，而不是堆內存，也就是說在默認情況下 Metaspace 的大小隻與本地內存的大小有關。因此 JDK1.8 之後，就見不到 java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space 這種由於永久代空間不足導致的內存溢出的問題了。
垃圾回收全過程
新創建的對象會先被分配到到 Eden 區。JVM 剛啓動時，Eden 區對象數量較少，兩個 Survivor 區 S0、S1 幾乎是空的。
隨着時間的推移，Eden 區的對象越來越多。當 Eden 區放不下時（佔用空間達到容量閾值），新生代就會發生垃圾回收，我們稱之爲 Minor GC 或者 Young GC。
發生 GC 時，第一步會通過可達性分析算法找到可達對象。如上圖，藍色爲可達對象，其他紫色爲不可達對象。第二步，被標示的可達對象會被轉移到 S0（此時 S0 是 From Survivor），此時存活對象年齡加 1，三個對象年齡都變爲 1。第三步，清除 Eden 區所有對象。
GC 後各區域對象佔用情況，如上圖所示。
程序繼續運行，Eden 區再次達到容量閾值時，會再次發生 GC。這時 S0（From Survivor）已經有了對象。還是同樣的步驟，通過可達性分析算法找到可達對象，然後再將 Eden 和 S0 中的可達對象轉移到 S1（To Survivor），各存活對象年齡加 1。最後將 Eden 和 S0 中的所有對象清除。
GC 後 S0 區域被清空。如上圖所示。S0 和 S1 發生了互換，S1 變成了 From Survivor，S0 變成了 To Survivor。
注意，To Survivor 區永遠都爲空。這實際上是垃圾回收算法 - 複製算法在年輕代的實際應用。把年輕代分爲 Eden，S0，S1 三個區域，每次垃圾回收時把可達對象複製到 S0 或 S1，然後再清除掉 Eden 和（S1 或 S0）中的所有對象。由於每次 GC 時，新生代的可達對象非常少（絕大部分對象要被回收掉），一般不會超過新生代總體空間的 10%，所以搜尋可達對象以及複製對象的成本都會非常低。而且這種複製的方式還能避免產生堆內存碎片，提高內存利用率。很多年輕代垃圾收集器都採用複製算法，如 ParNew。
在程序運行過程中，新生代 GC 會反覆發生，長壽對象會在 S0 和 S1 之間反覆交換，年齡也會越來越大，當對象達到年齡上限時，會被晉升到老年代。這個年齡上限默認是 15，可以通過參數 - XX:MaxTenuringThreshold 設置。如下圖，有些年輕代對象年齡達到了上限 15，被轉移到了老年代。
其他晉升方式。新生代對象晉升到老年代，除了根據年齡正常晉升外。爲了提高 JVM 的性能，JVM 設計者還考慮了其他晉升方式。
大對象直接晉升。大對象會跨過年輕代直接分配到老年代。可以通過 - XX:PretenureSizeThreshold 參數設置對象大小。如果參數被設置成 5MB，超過 5MB 的大對象會直接分配到老年代。這樣做的目的，是爲了避免大對象在 Eden 區及兩個 Survivor 區之間大量的內存複製，大對象的內存複製耗時比普通對象要高很多。
注意：PretenureSizeThreshold 參數只對 Serial 和 ParNew 兩種回收器有效。
動態對象年齡判定。如果在 Survivor 空間中相同年齡對象大小的總和大於 Survivor 空間的一半，年齡大於或等於該年齡的對象會直接進入老年代，而不用等到 MaxTenuringThreshold 中設置的年齡上限。上圖，年齡爲 1 的對象超過了 Survivor 空間的一半，所以這幾個對象會直接進入老年代。
實際上，上面對動態對象年齡判定的描述並不精確。上圖的場景也會導致相關對象晉升到老年代。年齡爲 1 的對象加上年齡爲 2 的對象超過了半數，這時包括年齡爲 2 的對象以及年齡更大的對象都會被晉升到老年代。所以上圖中年齡爲 2 和 3 的對象都會被晉升到老年代。
老年代垃圾回收。隨着年輕代對象的不斷晉升，老年代的對象變得越來越多，達到容量閾值後老年代也會發生垃圾回收，我們稱之爲 Major GC 或者 Full GC，Full GC 並不是全局 GC，它只發生在老年代。
雖然年輕代和老年代都會發生 GC，但是每次 GC 的時間和成本卻大不相同。由於老年代空間大小一般是年輕代的幾倍，再加上老年代對象存活率很高，所以整個標記過程比較慢，GC 成本也非常高。我們經常說的 JVM 調優，主要是爲了儘量減少老年代 Full GC 的時間和頻次。
老年代垃圾回收器，很少使用複製算法，主要爲了避免大量對象的內存複製帶來的時間和空間上的開銷，一般採用標記清除、標記整理算法，就地標記回收。例如，老年代垃圾收集器 CMS 就採用了標記清除算法。對於標記清除算法帶來的內存碎片問題，CMS 提供了兩個參數做碎片整理，-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection 和 - XX:CMSFullGCsBeforeCompaction。
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