Java GC（Garbage Collection唤锉，垃圾收集，垃圾回收）機(jī)制别瞭，是Java與C++/C的主要區(qū)別之一腌紧，作為Java開(kāi)發(fā)者，一般不需要專門編寫(xiě)內(nèi)存回收和垃圾清理代碼畜隶，對(duì)內(nèi)存泄露和溢出的問(wèn)題壁肋，也不需要像C程序員那樣戰(zhàn)戰(zhàn)兢兢号胚。這是因?yàn)樵贘ava虛擬機(jī)中，存在自動(dòng)內(nèi)存管理和垃圾清掃機(jī)制浸遗。概括地說(shuō)猫胁，該機(jī)制對(duì)JVM（Java Virtual Machine）中的內(nèi)存進(jìn)行標(biāo)記，并確定哪些內(nèi)存需要回收跛锌，根據(jù)一定的回收策略弃秆，自動(dòng)的回收內(nèi)存，永不停息（Nerver Stop）的保證JVM中的內(nèi)存空間髓帽，防止出現(xiàn)內(nèi)存泄露和溢出問(wèn)題菠赚。
Java GC機(jī)制主要完成3件事：確定哪些內(nèi)存需要回收，確定什么時(shí)候需要執(zhí)行GC郑藏，如何執(zhí)行GC衡查。經(jīng)過(guò)這么長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展（事實(shí)上，在Java語(yǔ)言出現(xiàn)之前必盖，就有GC機(jī)制的存在拌牲，如Lisp語(yǔ)言），Java GC機(jī)制已經(jīng)日臻完善歌粥，幾乎可以自動(dòng)的為我們做絕大多數(shù)的事情塌忽。然而，如果我們從事較大型的應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)失驶，曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)內(nèi)存優(yōu)化的需求土居，就必定要研究Java GC機(jī)制。
學(xué)習(xí)Java GC機(jī)制嬉探，可以幫助我們?cè)谌粘９ぷ髦信挪楦鞣N內(nèi)存溢出或泄露問(wèn)題擦耀，解決性能瓶頸，達(dá)到更高的并發(fā)量甲馋，寫(xiě)出更高效的程序埂奈。
我們將從4個(gè)方面學(xué)習(xí)Java GC機(jī)制：
- 內(nèi)存是如何分配的；
- 如何保證內(nèi)存不被錯(cuò)誤回收（即：哪些內(nèi)存需要回收）定躏；
- 在什么情況下執(zhí)行GC以及執(zhí)行GC的方式账磺；
- 如何監(jiān)控和優(yōu)化GC機(jī)制。
Java內(nèi)存區(qū)域
了解Java GC機(jī)制痊远，必須先清楚在JVM中內(nèi)存區(qū)域的劃分垮抗。在Java運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)區(qū)里，由JVM管理的內(nèi)存區(qū)域分為下圖幾個(gè)模塊：
其中：
1碧聪，程序計(jì)數(shù)器（Program Counter Register）：程序計(jì)數(shù)器是一個(gè)比較小的內(nèi)存區(qū)域冒版，用于指示當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼執(zhí)行到了第幾行，可以理解為是當(dāng)前線程的行號(hào)指示器逞姿。字節(jié)碼解釋器在工作時(shí)辞嗡，會(huì)通過(guò)改變這個(gè)計(jì)數(shù)器的值來(lái)取下一條語(yǔ)句指令捆等。
每個(gè)程序計(jì)數(shù)器只用來(lái)記錄一個(gè)線程的行號(hào)，所以它是線程私有（一個(gè)線程就有一個(gè)程序計(jì)數(shù)器）的续室。
如果程序執(zhí)行的是一個(gè)Java方法栋烤，則計(jì)數(shù)器記錄的是正在執(zhí)行的虛擬機(jī)字節(jié)碼指令地址；如果正在執(zhí)行的是一個(gè)本地（native挺狰，由C語(yǔ)言編寫(xiě)完成）方法明郭，則計(jì)數(shù)器的值為Undefined，由于程序計(jì)數(shù)器只是記錄當(dāng)前指令地址丰泊，所以不存在內(nèi)存溢出的情況薯定，因此，程序計(jì)數(shù)器也是所有JVM內(nèi)存區(qū)域中唯一一個(gè)沒(méi)有定義OutOfMemoryError的區(qū)域瞳购。
2话侄，虛擬機(jī)棧（JVM Stack）：一個(gè)線程的每個(gè)方法在執(zhí)行的同時(shí)，都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)棧幀（Statck Frame）苛败，棧幀中存儲(chǔ)的有局部變量表满葛、操作站径簿、動(dòng)態(tài)鏈接罢屈、方法出口等，當(dāng)方法被調(diào)用時(shí)篇亭，棧幀在JVM棧中入棧缠捌，當(dāng)方法執(zhí)行完成時(shí)，棧幀出棧译蒂。
局部變量表中存儲(chǔ)著方法的相關(guān)局部變量曼月，包括各種基本數(shù)據(jù)類型，對(duì)象的引用柔昼，返回地址等哑芹。在局部變量表中，只有l(wèi)ong和double類型會(huì)占用2個(gè)局部變量空間（Slot捕透，對(duì)于32位機(jī)器聪姿，一個(gè)Slot就是32個(gè)bit），其它都是1個(gè)Slot乙嘀。需要注意的是末购，局部變量表是在編譯時(shí)就已經(jīng)確定好的，方法運(yùn)行所需要分配的空間在棧幀中是完全確定的虎谢，在方法的生命周期內(nèi)都不會(huì)改變盟榴。
虛擬機(jī)棧中定義了兩種異常，如果線程調(diào)用的棧深度大于虛擬機(jī)允許的最大深度婴噩，則拋出StatckOverFlowError（棧溢出）擎场；不過(guò)多數(shù)Java虛擬機(jī)都允許動(dòng)態(tài)擴(kuò)展虛擬機(jī)棧的大小(有少部分是固定長(zhǎng)度的)羽德，所以線程可以一直申請(qǐng)棧，直到內(nèi)存不足迅办，此時(shí)玩般，會(huì)拋出OutOfMemoryError（內(nèi)存溢出）。
每個(gè)線程對(duì)應(yīng)著一個(gè)虛擬機(jī)棧礼饱，因此虛擬機(jī)棧也是線程私有的坏为。
3，本地方法棧（Native Method Statck）：本地方法棧在作用镊绪，運(yùn)行機(jī)制匀伏，異常類型等方面都與虛擬機(jī)棧相同，唯一的區(qū)別是：虛擬機(jī)棧是執(zhí)行Java方法的蝴韭，而本地方法棧是用來(lái)執(zhí)行native方法的够颠，在很多虛擬機(jī)中（如Sun的JDK默認(rèn)的HotSpot虛擬機(jī)），會(huì)將本地方法棧與虛擬機(jī)棧放在一起使用榄鉴。
本地方法棧也是線程私有的履磨。
4，堆區(qū)（Heap）：堆區(qū)是理解Java GC機(jī)制最重要的區(qū)域庆尘，沒(méi)有之一剃诅。在JVM所管理的內(nèi)存中，堆區(qū)是最大的一塊驶忌，堆區(qū)也是Java GC機(jī)制所管理的主要內(nèi)存區(qū)域矛辕，堆區(qū)由所有線程共享，在虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建付魔。堆區(qū)的存在是為了存儲(chǔ)對(duì)象實(shí)例聊品，原則上講，所有的對(duì)象都在堆區(qū)上分配內(nèi)存（不過(guò)現(xiàn)代技術(shù)里几苍，也不是這么絕對(duì)的翻屈，也有棧上直接分配的）。
一般的妻坝，根據(jù)Java虛擬機(jī)規(guī)范規(guī)定伸眶，堆內(nèi)存需要在邏輯上是連續(xù)的（在物理上不需要），在實(shí)現(xiàn)時(shí)惠勒，可以是固定大小的赚抡，也可以是可擴(kuò)展的，目前主流的虛擬機(jī)都是可擴(kuò)展的纠屋。如果在執(zhí)行垃圾回收之后涂臣，仍沒(méi)有足夠的內(nèi)存分配，也不能再擴(kuò)展，將會(huì)拋出OutOfMemoryError:Java heap space異常赁遗。
5署辉，方法區(qū)（Method Area）：在Java虛擬機(jī)規(guī)范中，將方法區(qū)作為堆的一個(gè)邏輯部分來(lái)對(duì)待岩四，但事實(shí)上哭尝，方法區(qū)并不是堆（Non-Heap）；另外剖煌，不少人的博客中材鹦，將Java GC的分代收集機(jī)制分為3個(gè)代：青年代，老年代耕姊，永久代桶唐，這些作者將方法區(qū)定義為“永久代”，這是因?yàn)檐岳迹瑢?duì)于之前的HotSpot Java虛擬機(jī)的實(shí)現(xiàn)方式中尤泽，將分代收集的思想擴(kuò)展到了方法區(qū)，并將方法區(qū)設(shè)計(jì)成了永久代规脸。不過(guò)坯约，除HotSpot之外的多數(shù)虛擬機(jī)，并不將方法區(qū)當(dāng)做永久代莫鸭，HotSpot本身闹丐，也計(jì)劃取消永久代。本文中黔龟，由于筆者主要使用Oracle JDK6.0妇智，因此仍將使用永久代一詞滥玷。
方法區(qū)是各個(gè)線程共享的區(qū)域氏身，用于存儲(chǔ)已經(jīng)被虛擬機(jī)加載的類信息（即加載類時(shí)需要加載的信息，包括版本惑畴、field蛋欣、方法、接口等信息）如贷、final常量陷虎、靜態(tài)變量、編譯器即時(shí)編譯的代碼等杠袱。
方法區(qū)在物理上也不需要是連續(xù)的尚猿，可以選擇固定大小或可擴(kuò)展大小，并且方法區(qū)比堆還多了一個(gè)限制：可以選擇是否執(zhí)行垃圾收集楣富。一般的凿掂，方法區(qū)上執(zhí)行的垃圾收集是很少的，這也是方法區(qū)被稱為永久代的原因之一（HotSpot），但這也不代表著在方法區(qū)上完全沒(méi)有垃圾收集庄萎，其上的垃圾收集主要是針對(duì)常量池的內(nèi)存回收和對(duì)已加載類的卸載踪少。
在方法區(qū)上進(jìn)行垃圾收集，條件苛刻而且相當(dāng)困難碌奉，效果也不令人滿意跨晴，所以一般不做太多考慮挚躯，可以留作以后進(jìn)一步深入研究時(shí)使用。
在方法區(qū)上定義了OutOfMemoryError:PermGen space異常集漾，在內(nèi)存不足時(shí)拋出。
運(yùn)行時(shí)常量池（Runtime Constant Pool）是方法區(qū)的一部分砸脊，用于存儲(chǔ)編譯期就生成的字面常量帆竹、符號(hào)引用、翻譯出來(lái)的直接引用（符號(hào)引用就是編碼是用字符串表示某個(gè)變量脓规、接口的位置栽连，直接引用就是根據(jù)符號(hào)引用翻譯出來(lái)的地址，將在類鏈接階段完成翻譯）侨舆；運(yùn)行時(shí)常量池除了存儲(chǔ)編譯期常量外秒紧，也可以存儲(chǔ)在運(yùn)行時(shí)間產(chǎn)生的常量（比如String類的intern()方法，作用是String維護(hù)了一個(gè)常量池挨下，如果調(diào)用的字符“abc”已經(jīng)在常量池中熔恢，則返回池中的字符串地址，否則臭笆，新建一個(gè)常量加入池中叙淌，并返回地址）。
6愁铺，直接內(nèi)存（Direct Memory）：直接內(nèi)存并不是JVM管理的內(nèi)存鹰霍，可以這樣理解，直接內(nèi)存茵乱，就是JVM以外的機(jī)器內(nèi)存茂洒，比如，你有4G的內(nèi)存瓶竭，JVM占用了1G督勺，則其余的3G就是直接內(nèi)存，JDK中有一種基于通道（Channel）和緩沖區(qū)（Buffer）的內(nèi)存分配方式斤贰，將由C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的native函數(shù)庫(kù)分配在直接內(nèi)存中智哀，用存儲(chǔ)在JVM堆中的DirectByteBuffer來(lái)引用。由于直接內(nèi)存收到本機(jī)器內(nèi)存的限制荧恍，所以也可能出現(xiàn)OutOfMemoryError的異常瓷叫。
Java內(nèi)存分配機(jī)制
這里所說(shuō)的內(nèi)存分配，主要指的是在堆上的分配，一般的赞辩，對(duì)象的內(nèi)存分配都是在堆上進(jìn)行雌芽，但現(xiàn)代技術(shù)也支持將對(duì)象拆成標(biāo)量類型（標(biāo)量類型即原子類型，表示單個(gè)值辨嗽，可以是基本類型或String等）世落，然后在棧上分配，在棧上分配的很少見(jiàn)糟需，我們這里不考慮屉佳。
Java內(nèi)存分配和回收的機(jī)制概括的說(shuō)，就是：分代分配洲押，分代回收武花。對(duì)象將根據(jù)存活的時(shí)間被分為：年輕代（Young Generation）、年老代（Old Generation）杈帐、永久代（Permanent Generation体箕，也就是方法區(qū)）
年輕代（Young Generation）
對(duì)象被創(chuàng)建時(shí)，內(nèi)存的分配首先發(fā)生在年輕代（大對(duì)象可以直接被創(chuàng)建在年老代）挑童，大部分的對(duì)象在創(chuàng)建后很快就不再使用累铅，因此很快變得不可達(dá)，于是被年輕代的GC機(jī)制清理掉（IBM的研究表明站叼，98%的對(duì)象都是很快消亡的）娃兽，這個(gè)GC機(jī)制被稱為Minor GC或叫Young GC。注意尽楔，Minor GC并不代表年輕代內(nèi)存不足投储，它事實(shí)上只表示在Eden區(qū)上的GC。
年輕代上的內(nèi)存分配是這樣的阔馋，年輕代可以分為3個(gè)區(qū)域：Eden區(qū)（伊甸園玛荞，亞當(dāng)和夏娃偷吃禁果生娃娃的地方，用來(lái)表示內(nèi)存首次分配的區(qū)域垦缅，再貼切不過(guò)）和兩個(gè)存活區(qū)（Survivor 0 冲泥、Survivor 1）。
- 絕大多數(shù)剛創(chuàng)建的對(duì)象會(huì)被分配在Eden區(qū)壁涎，其中的大多數(shù)對(duì)象很快就會(huì)消亡。Eden區(qū)是連續(xù)的內(nèi)存空間志秃，因此在其上分配內(nèi)存極快怔球；
- 最初一次，當(dāng)Eden區(qū)滿的時(shí)候浮还，執(zhí)行Minor GC竟坛，將消亡的對(duì)象清理掉，并將剩余的對(duì)象復(fù)制到一個(gè)存活區(qū)Survivor0（此時(shí)，Survivor1是空白的担汤，兩個(gè)Survivor總有一個(gè)是空白的）涎跨；
- 下次Eden區(qū)滿了，再執(zhí)行一次Minor GC崭歧，將消亡的對(duì)象清理掉隅很，將存活的對(duì)象復(fù)制到Survivor1中，然后清空Eden區(qū)率碾；
- 將Survivor0中消亡的對(duì)象清理掉叔营，將其中可以晉級(jí)的對(duì)象晉級(jí)到Old區(qū)，將存活的對(duì)象也復(fù)制到Survivor1區(qū)所宰，然后清空Survivor0區(qū)绒尊；
- 當(dāng)兩個(gè)存活區(qū)切換了幾次（HotSpot虛擬機(jī)默認(rèn)15次，用-XX:MaxTenuringThreshold控制仔粥，大于該值進(jìn)入老年代婴谱，但這只是個(gè)最大值，并不代表一定是這個(gè)值）之后躯泰，仍然存活的對(duì)象（其實(shí)只有一小部分勘究，比如，我們自己定義的對(duì)象）斟冕，將被復(fù)制到老年代口糕。
從上面的過(guò)程可以看出，Eden區(qū)是連續(xù)的空間磕蛇，且Survivor總有一個(gè)為空景描。經(jīng)過(guò)一次GC和復(fù)制，一個(gè)Survivor中保存著當(dāng)前還活著的對(duì)象秀撇，而Eden區(qū)和另一個(gè)Survivor區(qū)的內(nèi)容都不再需要了超棺，可以直接清空，到下一次GC時(shí)呵燕，兩個(gè)Survivor的角色再互換棠绘。因此，這種方式分配內(nèi)存和清理內(nèi)存的效率都極高再扭，這種垃圾回收的方式就是著名的“停止-復(fù)制（Stop-and-copy）”清理法（將Eden區(qū)和一個(gè)Survivor中仍然存活的對(duì)象拷貝到另一個(gè)Survivor中）氧苍，這不代表著停止復(fù)制清理法很高效，其實(shí)泛范，它也只在這種情況下高效让虐，如果在老年代采用停止復(fù)制，則挺悲劇的罢荡。
在Eden區(qū)赡突，HotSpot虛擬機(jī)使用了兩種技術(shù)來(lái)加快內(nèi)存分配对扶。分別是bump-the-pointer和TLAB（Thread-Local Allocation Buffers），這兩種技術(shù)的做法分別是：由于Eden區(qū)是連續(xù)的惭缰，因此bump-the-pointer技術(shù)的核心就是跟蹤最后創(chuàng)建的一個(gè)對(duì)象浪南，在對(duì)象創(chuàng)建時(shí)，只需要檢查最后一個(gè)對(duì)象后面是否有足夠的內(nèi)存即可漱受，從而大大加快內(nèi)存分配速度络凿；而對(duì)于TLAB技術(shù)是對(duì)于多線程而言的，將Eden區(qū)分為若干段拜效，每個(gè)線程使用獨(dú)立的一段喷众，避免相互影響。TLAB結(jié)合bump-the-pointer技術(shù)紧憾，將保證每個(gè)線程都使用Eden區(qū)的一段到千，并快速的分配內(nèi)存。
年老代（Old Generation）
對(duì)象如果在年輕代存活了足夠長(zhǎng)的時(shí)間而沒(méi)有被清理掉（即在幾次Young GC后存活了下來(lái)）赴穗，則會(huì)被復(fù)制到年老代憔四，年老代的空間一般比年輕代大，能存放更多的對(duì)象般眉，在年老代上發(fā)生的GC次數(shù)也比年輕代少了赵。當(dāng)年老代內(nèi)存不足時(shí)，將執(zhí)行Major GC甸赃，也叫 Full GC柿汛。
可以使用-XX:+UseAdaptiveSizePolicy開(kāi)關(guān)來(lái)控制是否采用動(dòng)態(tài)控制策略，如果動(dòng)態(tài)控制埠对，則動(dòng)態(tài)調(diào)整Java堆中各個(gè)區(qū)域的大小以及進(jìn)入老年代的年齡络断。
如果對(duì)象比較大（比如長(zhǎng)字符串或大數(shù)組），Young空間不足项玛，則大對(duì)象會(huì)直接分配到老年代上（大對(duì)象可能觸發(fā)提前GC貌笨，應(yīng)少用，更應(yīng)避免使用短命的大對(duì)象）襟沮。用-XX:PretenureSizeThreshold來(lái)控制直接升入老年代的對(duì)象大小锥惋，大于這個(gè)值的對(duì)象會(huì)直接分配在老年代上。
可能存在年老代對(duì)象引用新生代對(duì)象的情況开伏，如果需要執(zhí)行Young GC膀跌，則可能需要查詢整個(gè)老年代以確定是否可以清理回收，這顯然是低效的硅则。解決的方法是淹父，年老代中維護(hù)一個(gè)512 byte的塊——”card table“，所有老年代對(duì)象引用新生代對(duì)象的記錄都記錄在這里怎虫。Young GC時(shí)暑认，只要查這里即可，不用再去查全部老年代大审，因此性能大大提高蘸际。
Java GC機(jī)制
GC機(jī)制的基本算法是：分代收集，這個(gè)不用贅述徒扶。下面闡述每個(gè)分代的收集方法粮彤。
年輕代：
事實(shí)上，在上一節(jié)姜骡，已經(jīng)介紹了新生代的主要垃圾回收方法导坟，在新生代中，使用“停止-復(fù)制”算法進(jìn)行清理圈澈，將新生代內(nèi)存分為2部分惫周，1部分 Eden區(qū)較大，1部分Survivor比較小康栈，并被劃分為兩個(gè)等量的部分递递。每次進(jìn)行清理時(shí)，將Eden區(qū)和一個(gè)Survivor中仍然存活的對(duì)象拷貝到 另一個(gè)Survivor中啥么，然后清理掉Eden和剛才的Survivor登舞。
這里也可以發(fā)現(xiàn)，停止復(fù)制算法中悬荣，用來(lái)復(fù)制的兩部分并不總是相等的（傳統(tǒng)的停止復(fù)制算法兩部分內(nèi)存相等菠秒，但新生代中使用1個(gè)大的Eden區(qū)和2個(gè)小的Survivor區(qū)來(lái)避免這個(gè)問(wèn)題）
由于絕大部分的對(duì)象都是短命的，甚至存活不到Survivor中氯迂，所以践叠，Eden區(qū)與Survivor的比例較大，HotSpot默認(rèn)是 8:1囚戚，即分別占新生代的80%酵熙，10%，10%驰坊。如果一次回收中匾二，Survivor+Eden中存活下來(lái)的內(nèi)存超過(guò)了10%，則需要將一部分對(duì)象分配到 老年代拳芙。用-XX:SurvivorRatio參數(shù)來(lái)配置Eden區(qū)域Survivor區(qū)的容量比值察藐，默認(rèn)是8，代表Eden：Survivor1：Survivor2=8:1:1.
老年代：
老年代存儲(chǔ)的對(duì)象比年輕代多得多舟扎，而且不乏大對(duì)象分飞，對(duì)老年代進(jìn)行內(nèi)存清理時(shí)，如果使用停止-復(fù)制算法睹限，則相當(dāng)?shù)托┟āＲ话阊堕埽夏甏玫乃惴ㄊ菢?biāo)記-整理算法，即：標(biāo)記出仍然存活的對(duì)象（存在引用的）染服，將所有存活的對(duì)象向一端移動(dòng)别洪，以保證內(nèi)存的連續(xù)。
在發(fā)生Minor GC時(shí)柳刮，虛擬機(jī)會(huì)檢查每次晉升進(jìn)入老年代的大小是否大于老年代的剩余空間大小挖垛，如果大于，則直接觸發(fā)一次Full GC秉颗，否則痢毒，就查看是否設(shè)置了-XX:+HandlePromotionFailure（允許擔(dān)保失敗）蚕甥，如果允許哪替，則只會(huì)進(jìn)行MinorGC，此時(shí)可以容忍內(nèi)存分配失斏颐稹夷家；如果不允許，則仍然進(jìn)行Full GC（這代表著如果設(shè)置-XX:+Handle PromotionFailure敏释，則觸發(fā)MinorGC就會(huì)同時(shí)觸發(fā)Full GC库快，哪怕老年代還有很多內(nèi)存，所以钥顽，最好不要這樣做）义屏。
方法區(qū)（永久代）：
永久代的回收有兩種：常量池中的常量，無(wú)用的類信息蜂大，常量的回收很簡(jiǎn)單闽铐，沒(méi)有引用了就可以被回收。對(duì)于無(wú)用的類進(jìn)行回收奶浦，必須保證3點(diǎn)：
- 類的所有實(shí)例都已經(jīng)被回收
- 加載類的ClassLoader已經(jīng)被回收
- 類對(duì)象的Class對(duì)象沒(méi)有被引用（即沒(méi)有通過(guò)反射引用該類的地方）
