Java 技术之垃圾回收机制

垃圾回收是 Java 非常重要的特性之一，也是面试常客。它让开发者不必自己申请、释放空间，而是由后台守护进程在合适的时候把垃圾清掉——既省事，也更不容易把堆撑爆。

下面按四个问题把机制拆开：什么是堆、什么是垃圾、怎么回收、为什么要分代。

一、什么是 Java 堆内存

堆在 JVM 启动时创建，用来放运行时数据：代码里 new 出来的对象和数组，基本都在这里。对象如果迟迟收不掉、越堆越多，最后就是堆满、内存溢出。

所以 Java 在后台挂了一个 GC 守护进程：内存紧张时它会出来，把堆里的垃圾清掉，保证程序还能跑。

二、什么是垃圾

所谓垃圾，就是不再存活的对象。判断还活不活，常见两条路：引用计数、可达性分析。

下图里 object5、object6、object7 就是不可达对象，该被回收：

GC Roots 是谁

GC Roots 自己必须是可达的，从它们出发扫到的才站得住。Java 里常见四类：

• 虚拟机栈（栈帧里的本地变量表）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

这几类和 JVM 内存结构绑得很紧，这里先记住：每次 GC 都从这些根开始，把能走到的节点标成存活。

三、有哪些方式回收垃圾

GC Roots 走不到的就是垃圾。下图黑色是垃圾，灰色是存活，绿色是空白：

标记－清理

标记完再扫一遍清空垃圾空间，结果如下：

方便，但容易留下内存碎片。

标记－整理

清理时把存活对象扎堆，碎片就少了：

标记－清理和标记－整理都更适合存活多、垃圾少：只要清掉少量垃圾，再挪一下活着的对象。

复制

做法更粗：堆一分为二，一段时间只用一块；这块用完后，把存活对象全部拷到另一块，当前块直接清空。

不容易碎，也简单；代价是同一时刻只能用一半内存，超了就要频繁复制、清空。适合存活少、垃圾多：复制过去的对象不多，大部分垃圾直接扔掉。

四、Java 的分代回收

三种算法都在，Java 不会只用一种。先看堆怎么切。

堆结构

一块 Java 堆通常分成三块，对应三类数据：

• 新生代：刚创建的对象。局部变量很快变成不可达，「朝生夕死」，特点是存活少、垃圾多。
• 老年代：活了挺久的对象，特点是存活多、垃圾少。
• 永久代：静态文件这类几乎不用回收的对象。Java 8 已去掉永久代，空间给了元空间，这里不展开。

常规堆至少有新生代和老年代。新生代用复制，老年代用标记－整理。

新生代：复制

每次 GC 都会死掉大量新对象，只有少量活着，所以用复制：把少量存活对象拷走即可。怎么切这块内存，有三种思路。

思路 1：1:1

每次只用一半；满了把存活对象拷到另一半，当前半清空。问题是可用内存只有一半，新对象又来得勤，GC 会过于频繁，影响正常运行。

思路 2：9:1

先用 9 那块，快满时把存活对象拷到 1，再清空 9。可用空间大多了，但 1 区可能装不下，只好把对象送到老年区——于是老年区里会混进「并不老」的对象，破坏了分区规则。

思路 3：8:1:1（Eden + 两个 Survivor）

依次叫 Eden、Survivor A、Survivor B。Eden 是「伊甸园」，新对象大多在这出生；Survivor 是经历过 GC 还活着的。流程是：

• Eden 最大，对外供堆。快满时做 Minor GC，存活对象进 Survivor A，清空 Eden。
• Eden 清空后再对外供堆。
• Eden 再满时，对 Eden 和 Survivor A 一起 Minor GC，存活对象进 Survivor B，两边都清空。
• 之后重复：Eden 满了，就把 Eden 和某一个 Survivor 的存活对象拷到另一个 Survivor。
• 某个 Survivor 装满还拷不完，或对象反复 Survive 约 15 次，剩余对象进 Old。
• Old 也满了，做 Major GC，回收老年代。

真实 JVM 里可用 SurvivorRatio 配 Eden 和单个 Survivor 的比例，默认是 8。

老年代：标记－整理

老年代里多是活得久的对象，每次 GC 只有少部分被收掉，属于存活多、垃圾少，所以用标记－整理：挪一点点对象就能清垃圾，也不碎。

小结：新生代用复制，老年代用标记－整理。

五、小结与参考

垃圾回收是 Java 的基本功，也是往高级工程师走必须啃的一块。

参考文章：

• 理解 Java 垃圾回收机制
• JVM 的工作原理，层次结构以及 GC 工作原理
• 深入理解 Java 虚拟机笔记二（垃圾收集器与内存分配策略）

原文出处：wingjay

一句话总结：从 GC Roots 走不到的就是垃圾。新生代垃圾多，用复制（Eden + 两个 Survivor）；老年代活得久，用标记－整理。分代，就是按对象寿命选不同的扫帚。