Java GC（垃圾回收）机制知识总结

目录

• Java GC系列
  • Java关键术语
  • Java HotSpot 虚拟机
  • JVM体系结构
  • Java堆内存
  • 启动Java垃圾回收
  • Java垃圾回收过程
  • 垃圾回收中实例的终结
  • 对象什么时候符合垃圾回收的条件？
  • GC Scope 示例程序
  • GC OutOfMemoryError 的示例程序
• Java系列笔记(3) - Java 内存区域和GC机制
  • Java垃圾回收概况
  • Java内存区域
  • Java内存分配机制
  • Java GC机制
  • 垃圾收集器
• 面试题：“你能不能谈谈，java GC是在什么时候，对什么东西，做了什么事情？”
  • 一.回答：什么时候?
  • 二.回答：对什么东西？
  • 三.回答：做什么？

Java GC系列

本部分来自Java GC系列（1）：Java垃圾回收简介

Java的内存分配与回收全部由JVM垃圾回收进程自动完成。与C语言不同，Java开发者不需要自己编写代码实现垃圾回收。这是Java深受大家欢迎的众多特性之一，能够帮助程序员更好地编写Java程序。

下面四篇教程是了解Java 垃圾回收（GC）的基础：

1. 垃圾回收简介
2. 圾回收是如何工作的？
3. 垃圾回收的类别
4. 垃圾回收监视和分析

这篇教程是系列第一部分。首先会解释基本的术语，比如JDK、JVM、JRE和HotSpotVM。接着会介绍JVM结构和Java 堆内存结构。理解这些基础对于理解后面的垃圾回收知识很重要。

Java关键术语

• JavaAPI：一系列帮助开发者创建Java应用程序的封装好的库。
• Java 开发工具包 （JDK）：一系列工具帮助开发者创建Java应用程序。JDK包含工具编译、运行、打包、分发和监视Java应用程序。
• Java 虚拟机（JVM）：JVM是一个抽象的计算机结构。Java程序根据JVM的特性编写。JVM针对特定于操作系统并且可以将Java指令翻译成底层系统的指令并执行。JVM确保了Java的平台无关性。
• Java 运行环境（JRE）：JRE包含JVM实现和Java API。

Java HotSpot 虚拟机

每种JVM实现可能采用不同的方法实现垃圾回收机制。在收购SUN之前，Oracle使用的是JRockit JVM，收购之后使用HotSpot JVM。目前Oracle拥有两种JVM实现并且一段时间后两个JVM实现会合二为一。

HotSpot JVM是目前Oracle SE平台标准核心组件的一部分。在这篇垃圾回收教程中，我们将会了解基于HotSpot虚拟机的垃圾回收原则。

JVM体系结构

下面图片总结了JVM的关键组件。在JVM体系结构中，与垃圾回收相关的两个主要组件是堆内存和垃圾回收器。堆内存是内存数据区，用来保存运行时的对象实例。垃圾回收器也会在这里操作。现在我们知道这些组件是如何在框架中工作的。

Java堆内存

我们有必要了解堆内存在JVM内存模型的角色。在运行时，Java的实例被存放在堆内存区域。当一个对象不再被引用时，满足条件就会从堆内存移除。在垃圾回收进程中，这些对象将会从堆内存移除并且内存空间被回收。堆内存以下三个主要区域：

1.新生代（Young Generation）

• Eden空间（Eden space，任何实例都通过Eden空间进入运行时内存区域）
• S0 Survivor空间（S0 Survivor space，存在时间长的实例将会从Eden空间移动到S0 Survivor空间）
• S1 Survivor空间 （存在时间更长的实例将会从S0 Survivor空间移动到S1 Survivor空间）

2.老年代（Old Generation）实例将从S1提升到Tenured（终身代）
3.永久代（Permanent Generation）包含类、方法等细节的元信息

永久代空间在Java SE8特性中已经被移除。

在本系列的第二篇将会介绍Java垃圾回收是如何工作的。

本教程是为了理解基本的Java垃圾回收以及它是如何工作的。这是垃圾回收教程系列的第二部分。希望你已经读过了第一部分：《Java 垃圾回收介绍》。

Java 垃圾回收是一项自动化的过程，用来管理程序所使用的运行时内存。通过这一自动化过程，JVM 解除了程序员在程序中分配和释放内存资源的开销。

启动Java垃圾回收

作为一个自动的过程，程序员不需要在代码中显示地启动垃圾回收过程。System.gc()和Runtime.gc()用来请求JVM启动垃圾回收。

虽然这个请求机制提供给程序员一个启动 GC 过程的机会，但是启动由 JVM负责。JVM可以拒绝这个请求，所以并不保证这些调用都将执行垃圾回收。启动时机的选择由JVM决定，并且取决于堆内存中Eden区是否可用。JVM将这个选择留给了Java规范的实现，不同实现具体使用的算法不尽相同。

毋庸置疑，我们知道垃圾回收过程是不能被强制执行的。我刚刚发现了一个调用System.gc()有意义的场景。通过这篇文章了解一下适合调用System.gc() 这种极端情况。

Java垃圾回收过程

垃圾回收是一种回收无用内存空间并使其对未来实例可用的过程。

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Java GC系列（2）：Java垃圾回收是如何工作的？
2014/10/28 | 分类： 基础技术, 教程 | 3 条评论 | 标签： GC, 垃圾回收教程
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本文由 ImportNew - 伍翀 翻译自 javapapers。欢迎加入翻译小组。转载请见文末要求。

目录

• 垃圾回收介绍
• 垃圾回收是如何工作的？
• 垃圾回收的类别
• 垃圾回收监视和分析

本教程是为了理解基本的Java垃圾回收以及它是如何工作的。这是垃圾回收教程系列的第二部分。希望你已经读过了第一部分：《Java 垃圾回收介绍》。

Java 垃圾回收是一项自动化的过程，用来管理程序所使用的运行时内存。通过这一自动化过程，JVM 解除了程序员在程序中分配和释放内存资源的开销。

启动Java垃圾回收

作为一个自动的过程，程序员不需要在代码中显示地启动垃圾回收过程。System.gc()和Runtime.gc()用来请求JVM启动垃圾回收。

虽然这个请求机制提供给程序员一个启动 GC 过程的机会，但是启动由 JVM负责。JVM可以拒绝这个请求，所以并不保证这些调用都将执行垃圾回收。启动时机的选择由JVM决定，并且取决于堆内存中Eden区是否可用。JVM将这个选择留给了Java规范的实现，不同实现具体使用的算法不尽相同。

毋庸置疑，我们知道垃圾回收过程是不能被强制执行的。我刚刚发现了一个调用System.gc()有意义的场景。通过这篇文章了解一下适合调用System.gc() 这种极端情况。

Java垃圾回收过程

垃圾回收是一种回收无用内存空间并使其对未来实例可用的过程。

Eden 区：当一个实例被创建了，首先会被存储在堆内存年轻代的 Eden 区中。

注意：如果你不能理解这些词汇，我建议你阅读这篇 垃圾回收介绍 ，这篇教程详细地介绍了内存模型、JVM 架构以及这些术语。

Survivor 区（S0 和 S1）：作为年轻代 GC（Minor GC）周期的一部分，存活的对象（仍然被引用的）从 Eden 区被移动到 Survivor 区的 S0 中。类似的，垃圾回收器会扫描 S0 然后将存活的实例移动到 S1 中。

（译注：此处不应该是Eden和S0中存活的都移到S1么，为什么会先移到S0再从S0移到S1？）

死亡的实例（不再被引用）被标记为垃圾回收。根据垃圾回收器（有四种常用的垃圾回收器，将在下一教程中介绍它们）选择的不同，要么被标记的实例都会不停地从内存中移除，要么回收过程会在一个单独的进程中完成。

老年代： 老年代（Old or tenured generation）是堆内存中的第二块逻辑区。当垃圾回收器执行 Minor GC 周期时，在 S1 Survivor 区中的存活实例将会被晋升到老年代，而未被引用的对象被标记为回收。

老年代 GC（Major GC）：相对于 Java 垃圾回收过程，老年代是实例生命周期的最后阶段。Major GC 扫描老年代的垃圾回收过程。如果实例不再被引用，那么它们会被标记为回收，否则它们会继续留在老年代中。

内存碎片：一旦实例从堆内存中被删除，其位置就会变空并且可用于未来实例的分配。这些空出的空间将会使整个内存区域碎片化。为了实例的快速分配，需要进行碎片整理。基于垃圾回收器的不同选择，回收的内存区域要么被不停地被整理，要么在一个单独的GC进程中完成。

垃圾回收中实例的终结

在释放一个实例和回收内存空间之前，Java 垃圾回收器会调用实例各自的 finalize() 方法，从而该实例有机会释放所持有的资源。虽然可以保证 finalize() 会在回收内存空间之前被调用，但是没有指定的顺序和时间。多个实例间的顺序是无法被预知，甚至可能会并行发生。程序不应该预先调整实例之间的顺序并使用 finalize() 方法回收资源。

• 任何在 finalize过程中未被捕获的异常会自动被忽略，然后该实例的 finalize 过程被取消。
• JVM 规范中并没有讨论关于弱引用的垃圾回收机制，也没有很明确的要求。具体的实现都由实现方决定。
• 垃圾回收是由一个守护线程完成的。

对象什么时候符合垃圾回收的条件？

• 所有实例都没有活动线程访问。
• 没有被其他任何实例访问的循环引用实例。

Java 中有不同的引用类型。判断实例是否符合垃圾收集的条件都依赖于它的引用类型。

引用类型	垃圾收集
强引用（Strong Reference）	不符合垃圾收集
软引用（Soft Reference）	垃圾收集可能会执行，但会作为最后的选择
弱引用（Weak Reference）	符合垃圾收集
虚引用（Phantom Reference）	符合垃圾收集

在编译过程中作为一种优化技术，Java 编译器能选择给实例赋 null 值，从而标记实例为可回收。

class Animal {
    public static void main(String[] args) {
        Animal lion = new Animal();
        System.out.println("Main is completed.");
    }
 
    protected void finalize() {
        System.out.println("Rest in Peace!");
    }
}

在上面的类中，lion 对象在实例化行后从未被使用过。因此 Java 编译器作为一种优化措施可以直接在实例化行后赋值lion = null。因此，即使在 SOP 输出之前， finalize 函数也能够打印出 'Rest in Peace!'。我们不能证明这确定会发生，因为它依赖JVM的实现方式和运行时使用的内存。然而，我们还能学习到一点：如果编译器看到该实例在未来再也不会被引用，能够选择并提早释放实例空间。

• 关于对象什么时候符合垃圾回收有一个更好的例子。实例的所有属性能被存储在寄存器中，随后寄存器将被访问并读取内容。无一例外，这些值将被写回到实例中。虽然这些值在将来能被使用，这个实例仍然能被标记为符合垃圾回收。这是一个很经典的例子，不是吗？
• 当被赋值为null时，这是很简单的一个符合垃圾回收的示例。当然，复杂的情况可以像上面的几点。这是由 JVM 实现者所做的选择。目的是留下尽可能小的内存占用，加快响应速度，提高吞吐量。为了实现这一目标， JVM 的实现者可以选择一个更好的方案或算法在垃圾回收过程中回收内存空间。
• 当 finalize() 方法被调用时，JVM 会释放该线程上的所有同步锁。

GC Scope 示例程序

Class GCScope {
    GCScope t;
    static int i = 1;
 
    public static void main(String args[]) {
        GCScope t1 = new GCScope();
        GCScope t2 = new GCScope();
        GCScope t3 = new GCScope();
 
        // No Object Is Eligible for GC
 
        t1.t = t2; // No Object Is Eligible for GC
        t2.t = t3; // No Object Is Eligible for GC
        t3.t = t1; // No Object Is Eligible for GC
 
        t1 = null;
        // No Object Is Eligible for GC (t3.t still has a reference to t1)
 
        t2 = null;
        // No Object Is Eligible for GC (t3.t.t still has a reference to t2)
 
        t3 = null;
        // All the 3 Object Is Eligible for GC (None of them have a reference.
        // only the variable t of the objects are referring each other in a
        // rounded fashion forming the Island of objects with out any external
        // reference)
    }
 
    protected void finalize() {
        System.out.println("Garbage collected from object" + i);
        i++;
    }
 
class GCScope {
    GCScope t;
    static int i = 1;
 
    public static void main(String args[]) {
        GCScope t1 = new GCScope();
        GCScope t2 = new GCScope();
        GCScope t3 = new GCScope();
 
        // 没有对象符合GC
        t1.t = t2; // 没有对象符合GC
        t2.t = t3; // 没有对象符合GC
        t3.t = t1; // 没有对象符合GC
 
        t1 = null;
        // 没有对象符合GC (t3.t 仍然有一个到 t1 的引用)
 
        t2 = null;
        // 没有对象符合GC (t3.t.t 仍然有一个到 t2 的引用)
 
        t3 = null;
        // 所有三个对象都符合GC (它们中没有一个拥有引用。
        // 只有各对象的变量 t 还指向了彼此，
        // 形成了一个由对象组成的环形的岛，而没有任何外部的引用。)
    }
 
    protected void finalize() {
        System.out.println("Garbage collected from object" + i);
        i++;
    }

GC OutOfMemoryError 的示例程序

GC并不保证内存溢出问题的安全性，粗心写下的代码会导致 OutOfMemoryError。

import java.util.LinkedList;
import java.util.List;
 
public class GC {
    public static void main(String[] main) {
        List l = new LinkedList();
        // Enter infinite loop which will add a String to the list: l on each
        // iteration.
        do {
            l.add(new String("Hello, World"));
        } while (true);
    }
}

输出：

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
    at java.util.LinkedList.linkLast(LinkedList.java:142)
    at java.util.LinkedList.add(LinkedList.java:338)
    at com.javapapers.java.GCScope.main(GCScope.java:12)

Java系列笔记(3) - Java 内存区域和GC机制

本部分来自Java系列笔记(3) - Java 内存区域和GC机制

目录

• Java垃圾回收概况
• Java内存区域
• Java对象的访问方式
• Java内存分配机制
• Java GC机制
• 垃圾收集器

Java垃圾回收概况

　　Java GC（Garbage Collection，垃圾收集，垃圾回收）机制，是Java与C++/C的主要区别之一，作为Java开发者，一般不需要专门编写内存回收和垃圾清理代码，对内存泄露和溢出的问题，也不需要像C程序员那样战战兢兢。这是因为在Java虚拟机中，存在自动内存管理和垃圾清扫机制。概括地说，该机制对JVM（Java Virtual Machine）中的内存进行标记，并确定哪些内存需要回收，根据一定的回收策略，自动的回收内存，永不停息（Nerver Stop）的保证JVM中的内存空间，防止出现内存泄露和溢出问题。

　　关于JVM，需要说明一下的是，目前使用最多的Sun公司的JDK中，自从1999年的JDK1.2开始直至现在仍在广泛使用的JDK6，其中默认的虚拟机都是HotSpot。2009年，Oracle收购Sun，加上之前收购的EBA公司，Oracle拥有3大虚拟机中的两个：JRockit和HotSpot，Oracle也表明了想要整合两大虚拟机的意图，但是目前在新发布的JDK7中，默认的虚拟机仍然是HotSpot，因此本文中默认介绍的虚拟机都是HotSpot，相关机制也主要是指HotSpot的GC机制。

　　Java GC机制主要完成3件事：确定哪些内存需要回收，确定什么时候需要执行GC，如何执行GC。经过这么长时间的发展（事实上，在Java语言出现之前，就有GC机制的存在，如Lisp语言），Java GC机制已经日臻完善，几乎可以自动的为我们做绝大多数的事情。然而，如果我们从事较大型的应用软件开发，曾经出现过内存优化的需求，就必定要研究Java GC机制。

　　学习Java GC机制，可以帮助我们在日常工作中排查各种内存溢出或泄露问题，解决性能瓶颈，达到更高的并发量，写出更高效的程序。

　　我们将从4个方面学习Java GC机制，1，内存是如何分配的；2，如何保证内存不被错误回收（即：哪些内存需要回收）；3，在什么情况下执行GC以及执行GC的方式；4，如何监控和优化GC机制。

Java内存区域

　　了解Java GC机制，必须先清楚在JVM中内存区域的划分。在Java运行时的数据区里，由JVM管理的内存区域分为下图几个模块：

其中：

1，程序计数器（Program Counter Register）：程序计数器是一个比较小的内存区域，用于指示当前线程所执行的字节码执行到了第几行，可以理解为是当前线程的行号指示器。字节码解释器在工作时，会通过改变这个计数器的值来取下一条语句指令。

　　每个程序计数器只用来记录一个线程的行号，所以它是线程私有（一个线程就有一个程序计数器）的。

　　如果程序执行的是一个Java方法，则计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令地址；如果正在执行的是一个本地（native，由C语言编写完成）方法，则计数器的值为Undefined，由于程序计数器只是记录当前指令地址，所以不存在内存溢出的情况，因此，程序计数器也是所有JVM内存区域中唯一一个没有定义OutOfMemoryError的区域。

2，虚拟机栈（JVM Stack）：一个线程的每个方法在执行的同时，都会创建一个栈帧（Statck Frame），栈帧中存储的有局部变量表、操作站、动态链接、方法出口等，当方法被调用时，栈帧在JVM栈中入栈，当方法执行完成时，栈帧出栈。

　　局部变量表中存储着方法的相关局部变量，包括各种基本数据类型，对象的引用，返回地址等。在局部变量表中，只有long和double类型会占用2个局部变量空间（Slot，对于32位机器，一个Slot就是32个bit），其它都是1个Slot。需要注意的是，局部变量表是在编译时就已经确定好的，方法运行所需要分配的空间在栈帧中是完全确定的，在方法的生命周期内都不会改变。

　　虚拟机栈中定义了两种异常，如果线程调用的栈深度大于虚拟机允许的最大深度，则抛出StatckOverFlowError（栈溢出）；不过多数Java虚拟机都允许动态扩展虚拟机栈的大小(有少部分是固定长度的)，所以线程可以一直申请栈，直到内存不足，此时，会抛出OutOfMemoryError（内存溢出）。

　　每个线程对应着一个虚拟机栈，因此虚拟机栈也是线程私有的。

3，本地方法栈（Native Method Statck）：本地方法栈在作用，运行机制，异常类型等方面都与虚拟机栈相同，唯一的区别是：虚拟机栈是执行Java方法的，而本地方法栈是用来执行native方法的，在很多虚拟机中（如Sun的JDK默认的HotSpot虚拟机），会将本地方法栈与虚拟机栈放在一起使用。

　　本地方法栈也是线程私有的。

4，堆区（Heap）：堆区是理解Java GC机制最重要的区域，没有之一。在JVM所管理的内存中，堆区是最大的一块，堆区也是Java GC机制所管理的主要内存区域，堆区由所有线程共享，在虚拟机启动时创建。堆区的存在是为了存储对象实例，原则上讲，所有的对象都在堆区上分配内存（不过现代技术里，也不是这么绝对的，也有栈上直接分配的）。

　　一般的，根据Java虚拟机规范规定，堆内存需要在逻辑上是连续的（在物理上不需要），在实现时，可以是固定大小的，也可以是可扩展的，目前主流的虚拟机都是可扩展的。如果在执行垃圾回收之后，仍没有足够的内存分配，也不能再扩展，将会抛出OutOfMemoryError:Java heap space异常。

　　关于堆区的内容还有很多，将在下节“Java内存分配机制”中详细介绍。

5，方法区（Method Area）：在Java虚拟机规范中，将方法区作为堆的一个逻辑部分来对待，但事实上，方法区并不是堆（Non-Heap）；另外，不少人的博客中，将Java GC的分代收集机制分为3个代：青年代，老年代，永久代，这些作者将方法区定义为“永久代”，这是因为，对于之前的HotSpot Java虚拟机的实现方式中，将分代收集的思想扩展到了方法区，并将方法区设计成了永久代。不过，除HotSpot之外的多数虚拟机，并不将方法区当做永久代，HotSpot本身，也计划取消永久代。本文中，由于笔者主要使用Oracle JDK6.0，因此仍将使用永久代一词。

　　方法区是各个线程共享的区域，用于存储已经被虚拟机加载的类信息（即加载类时需要加载的信息，包括版本、field、方法、接口等信息）、final常量、静态变量、编译器即时编译的代码等。

　　方法区在物理上也不需要是连续的，可以选择固定大小或可扩展大小，并且方法区比堆还多了一个限制：可以选择是否执行垃圾收集。一般的，方法区上执行的垃圾收集是很少的，这也是方法区被称为永久代的原因之一（HotSpot），但这也不代表着在方法区上完全没有垃圾收集，其上的垃圾收集主要是针对常量池的内存回收和对已加载类的卸载。

　　在方法区上进行垃圾收集，条件苛刻而且相当困难，效果也不令人满意，所以一般不做太多考虑，可以留作以后进一步深入研究时使用。

　　在方法区上定义了OutOfMemoryError:PermGen space异常，在内存不足时抛出。

　　运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分，用于存储编译期就生成的字面常量、符号引用、翻译出来的直接引用（符号引用就是编码是用字符串表示某个变量、接口的位置，直接引用就是根据符号引用翻译出来的地址，将在类链接阶段完成翻译）；运行时常量池除了存储编译期常量外，也可以存储在运行时间产生的常量（比如String类的intern()方法，作用是String维护了一个常量池，如果调用的字符“abc”已经在常量池中，则返回池中的字符串地址，否则，新建一个常量加入池中，并返回地址）。

6，直接内存（Direct Memory）：直接内存并不是JVM管理的内存，可以这样理解，直接内存，就是JVM以外的机器内存，比如，你有4G的内存，JVM占用了1G，则其余的3G就是直接内存，JDK中有一种基于通道（Channel）和缓冲区（Buffer）的内存分配方式，将由C语言实现的native函数库分配在直接内存中，用存储在JVM堆中的DirectByteBuffer来引用。由于直接内存收到本机器内存的限制，所以也可能出现OutOfMemoryError的异常。

Java对象的访问方式

一般来说，一个Java的引用访问涉及到3个内存区域：JVM栈，堆，方法区。

　以最简单的本地变量引用：Object obj = new Object()为例：

Object obj表示一个本地引用，存储在JVM栈的本地变量表中，表示一个reference类型数据；
new Object()作为实例对象数据存储在堆中；
堆中还记录了Object类的类型信息（接口、方法、field、对象类型等）的地址，这些地址所执行的数据存储在方法区中；
在Java虚拟机规范中，对于通过reference类型引用访问具体对象的方式并未做规定，目前主流的实现方式主要有两种：

1，通过句柄访问（图来自于《深入理解Java虚拟机：JVM高级特效与最佳实现》）：

通过句柄访问的实现方式中，JVM堆中会专门有一块区域用来作为句柄池，存储相关句柄所执行的实例数据地址（包括在堆中地址和在方法区中的地址）。这种实现方法由于用句柄表示地址，因此十分稳定。

2，通过直接指针访问：（图来自于《深入理解Java虚拟机：JVM高级特效与最佳实现》）

通过直接指针访问的方式中，reference中存储的就是对象在堆中的实际地址，在堆中存储的对象信息中包含了在方法区中的相应类型数据。这种方法最大的优势是速度快，在HotSpot虚拟机中用的就是这种方式。

Java内存分配机制

这里所说的内存分配，主要指的是在堆上的分配，一般的，对象的内存分配都是在堆上进行，但现代技术也支持将对象拆成标量类型（标量类型即原子类型，表示单个值，可以是基本类型或String等），然后在栈上分配，在栈上分配的很少见，我们这里不考虑。

　　Java内存分配和回收的机制概括的说，就是：分代分配，分代回收。对象将根据存活的时间被分为：年轻代（Young Generation）、年老代（Old Generation）、永久代（Permanent Generation，也就是方法区）。如下图（来源于《成为JavaGC专家part I》，http://www.importnew.com/1993.html）：

年轻代（Young Generation）：对象被创建时，内存的分配首先发生在年轻代（大对象可以直接被创建在年老代），大部分的对象在创建后很快就不再使用，因此很快变得不可达，于是被年轻代的GC机制清理掉（IBM的研究表明，98%的对象都是很快消亡的），这个GC机制被称为Minor GC或叫Young GC。注意，Minor GC并不代表年轻代内存不足，它事实上只表示在Eden区上的GC。

　　年轻代上的内存分配是这样的，年轻代可以分为3个区域：Eden区（伊甸园，亚当和夏娃偷吃禁果生娃娃的地方，用来表示内存首次分配的区域，再贴切不过）和两个存活区（Survivor 0 、Survivor 1）。内存分配过程为（来源于《成为JavaGC专家part I》，http://www.importnew.com/1993.html）：

1. 绝大多数刚创建的对象会被分配在Eden区，其中的大多数对象很快就会消亡。Eden区是连续的内存空间，因此在其上分配内存极快；
2. 最初一次，当Eden区满的时候，执行Minor GC，将消亡的对象清理掉，并将剩余的对象复制到一个存活区Survivor0（此时，Survivor1是空白的，两个Survivor总有一个是空白的）；
3. 下次Eden区满了，再执行一次Minor GC，将消亡的对象清理掉，将存活的对象复制到Survivor1中，然后清空Eden区；
4. 将Survivor0中消亡的对象清理掉，将其中可以晋级的对象晋级到Old区，将存活的对象也复制到Survivor1区，然后清空Survivor0区；
5. 当两个存活区切换了几次（HotSpot虚拟机默认15次，用-XX:MaxTenuringThreshold控制，大于该值进入老年代，但这只是个最大值，并不代表一定是这个值）之后，仍然存活的对象（其实只有一小部分，比如，我们自己定义的对象），将被复制到老年代。

　　从上面的过程可以看出，Eden区是连续的空间，且Survivor总有一个为空。经过一次GC和复制，一个Survivor中保存着当前还活着的对象，而Eden区和另一个Survivor区的内容都不再需要了，可以直接清空，到下一次GC时，两个Survivor的角色再互换。因此，这种方式分配内存和清理内存的效率都极高，这种垃圾回收的方式就是著名的“停止-复制（Stop-and-copy）”清理法（将Eden区和一个Survivor中仍然存活的对象拷贝到另一个Survivor中），这不代表着停止复制清理法很高效，其实，它也只在这种情况下高效，如果在老年代采用停止复制，则挺悲剧的。

　　在Eden区，HotSpot虚拟机使用了两种技术来加快内存分配。分别是bump-the-pointer和TLAB（Thread-Local Allocation Buffers），这两种技术的做法分别是：由于Eden区是连续的，因此bump-the-pointer技术的核心就是跟踪最后创建的一个对象，在对象创建时，只需要检查最后一个对象后面是否有足够的内存即可，从而大大加快内存分配速度；而对于TLAB技术是对于多线程而言的，将Eden区分为若干段，每个线程使用独立的一段，避免相互影响。TLAB结合bump-the-pointer技术，将保证每个线程都使用Eden区的一段，并快速的分配内存。

　　年老代（Old Generation）：对象如果在年轻代存活了足够长的时间而没有被清理掉（即在几次Young GC后存活了下来），则会被复制到年老代，年老代的空间一般比年轻代大，能存放更多的对象，在年老代上发生的GC次数也比年轻代少。当年老代内存不足时，将执行Major GC，也叫 Full GC。　　

　　可以使用-XX:+UseAdaptiveSizePolicy开关来控制是否采用动态控制策略，如果动态控制，则动态调整Java堆中各个区域的大小以及进入老年代的年龄。
　　如果对象比较大（比如长字符串或大数组），Young空间不足，则大对象会直接分配到老年代上（大对象可能触发提前GC，应少用，更应避免使用短命的大对象）。用-XX:PretenureSizeThreshold来控制直接升入老年代的对象大小，大于这个值的对象会直接分配在老年代上。

　　可能存在年老代对象引用新生代对象的情况，如果需要执行Young GC，则可能需要查询整个老年代以确定是否可以清理回收，这显然是低效的。解决的方法是，年老代中维护一个512 byte的块——”card table“，所有老年代对象引用新生代对象的记录都记录在这里。Young GC时，只要查这里即可，不用再去查全部老年代，因此性能大大提高。

Java GC机制

GC机制的基本算法是：分代收集，这个不用赘述。下面阐述每个分代的收集方法。

　　

　　年轻代：

　　事实上，在上一节，已经介绍了新生代的主要垃圾回收方法，在新生代中，使用“停止-复制”算法进行清理，将新生代内存分为2部分，1部分 Eden区较大，1部分Survivor比较小，并被划分为两个等量的部分。每次进行清理时，将Eden区和一个Survivor中仍然存活的对象拷贝到 另一个Survivor中，然后清理掉Eden和刚才的Survivor。

　　这里也可以发现，停止复制算法中，用来复制的两部分并不总是相等的（传统的停止复制算法两部分内存相等，但新生代中使用1个大的Eden区和2个小的Survivor区来避免这个问题）

　　由于绝大部分的对象都是短命的，甚至存活不到Survivor中，所以，Eden区与Survivor的比例较大，HotSpot默认是 8:1，即分别占新生代的80%，10%，10%。如果一次回收中，Survivor+Eden中存活下来的内存超过了10%，则需要将一部分对象分配到 老年代。用-XX:SurvivorRatio参数来配置Eden区域Survivor区的容量比值，默认是8，代表Eden：Survivor1：Survivor2=8:1:1.

　　老年代：

　　老年代存储的对象比年轻代多得多，而且不乏大对象，对老年代进行内存清理时，如果使用停止-复制算法，则相当低效。一般，老年代用的算法是标记-整理算法，即：标记出仍然存活的对象（存在引用的），将所有存活的对象向一端移动，以保证内存的连续。

在发生Minor GC时，虚拟机会检查每次晋升进入老年代的大小是否大于老年代的剩余空间大小，如果大于，则直接触发一次Full GC，否则，就查看是否设置了-XX:+HandlePromotionFailure（允许担保失败），如果允许，则只会进行MinorGC，此时可以容忍内存分配失败；如果不允许，则仍然进行Full GC（这代表着如果设置-XX:+Handle PromotionFailure，则触发MinorGC就会同时触发Full GC，哪怕老年代还有很多内存，所以，最好不要这样做）。

　　方法区（永久代）：

　　永久代的回收有两种：常量池中的常量，无用的类信息，常量的回收很简单，没有引用了就可以被回收。对于无用的类进行回收，必须保证3点：

1. 类的所有实例都已经被回收
2. 加载类的ClassLoader已经被回收
3. 类对象的Class对象没有被引用（即没有通过反射引用该类的地方）

永久代的回收并不是必须的，可以通过参数来设置是否对类进行回收。HotSpot提供-Xnoclassgc进行控制

使用-verbose，-XX:+TraceClassLoading、-XX:+TraceClassUnLoading可以查看类加载和卸载信息

-verbose、-XX:+TraceClassLoading可以在Product版HotSpot中使用；

-XX:+TraceClassUnLoading需要fastdebug版HotSpot支持

垃圾收集器

在GC机制中，起重要作用的是垃圾收集器，垃圾收集器是GC的具体实现，Java虚拟机规范中对于垃圾收集器没有任何规定，所以不同厂商实现的垃圾 收集器各不相同，HotSpot 1.6版使用的垃圾收集器如下图（图来源于《深入理解Java虚拟机：JVM高级特效与最佳实现》，图中两个收集器之间有连线，说明它们可以配合使用）：

在介绍垃圾收集器之前，需要明确一点，就是在新生代采用的停止复制算法中，“停 止（Stop-the-world）”的意义是在回收内存时，需要暂停其他所 有线程的执行。这个是很低效的，现在的各种新生代收集器越来越优化这一点，但仍然只是将停止的时间变短，并未彻底取消停止。

• Serial收集器：新生代收集器，使用停止复制算法，使用一个线程进行GC，串行，其它工作线程暂停。使用-XX:+UseSerialGC可以使用Serial+Serial Old模式运行进行内存回收（这也是虚拟机在Client模式下运行的默认值）
• ParNew收集器：新生代收集器，使用停止复制算法，Serial收集器的多线程版，用多个线程进行GC，并行，其它工作线程暂停，关注缩短垃圾收集时间。使用-XX:+UseParNewGC开关来控制使用ParNew+Serial Old收集器组合收集内存；使用-XX:ParallelGCThreads来设置执行内存回收的线程数。
• Parallel Scavenge 收集器：新生代收集器，使用停止复制算法，关注CPU吞吐量，即运行用户代码的时间/总时间，比如：JVM运行100分钟，其中运行用户代码99分钟，垃 圾收集1分钟，则吞吐量是99%，这种收集器能最高效率的利用CPU，适合运行后台运算（关注缩短垃圾收集时间的收集器，如CMS，等待时间很少，所以适 合用户交互，提高用户体验）。使用-XX:+UseParallelGC开关控制使用Parallel Scavenge+Serial Old收集器组合回收垃圾（这也是在Server模式下的默认值）；使用-XX:GCTimeRatio来设置用户执行时间占总时间的比例，默认99，即1%的时间用来进行垃圾回收。使用-XX:MaxGCPauseMillis设置GC的最大停顿时间（这个参数只对Parallel Scavenge有效），用开关参数-XX:+UseAdaptiveSizePolicy可以进行动态控制，如自动调整Eden/Survivor比例，老年代对象年龄，新生代大小等，这个参数在ParNew下没有。
• Serial Old收集器：老年代收集器，单线程收集器，串行，使用标记整理（整理的方法是Sweep（清理）和Compact（压缩），清理是将废弃的对象干掉，只留幸存的对象，压缩是将移动对象，将空间填满保证内存分为2块，一块全是对象，一块空闲）算法，使用单线程进行GC，其它工作线程暂停（注意，在老年代中进行标记整理算法清理，也需要暂停其它线程），在JDK1.5之前，Serial Old收集器与ParallelScavenge搭配使用。
• Parallel Old收集器：老年代收集器，多线程，并行，多线程机制与Parallel Scavenge差不错，使用标记整理（与Serial Old不同，这里的整理是Summary（汇总）和Compact（压缩），汇总的意思就是将幸存的对象复制到预先准备好的区域，而不是像Sweep（清理）那样清理废弃的对象）算法，在Parallel Old执行时，仍然需要暂停其它线程。Parallel Old在多核计算中很有用。Parallel Old出现后（JDK 1.6），与Parallel Scavenge配合有很好的效果，充分体现Parallel Scavenge收集器吞吐量优先的效果。使用-XX:+UseParallelOldGC开关控制使用Parallel Scavenge +Parallel Old组合收集器进行收集。
• CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器：老年代收集器，致力于获取最短回收停顿时间（即缩短垃圾回收的时间），使用标记清除算法，多线程，优点是并发收集（用户线程可以和GC线程同时工作），停顿小。使用-XX:+UseConcMarkSweepGC进行ParNew+CMS+Serial Old进行内存回收，优先使用ParNew+CMS（原因见后面），当用户线程内存不足时，采用备用方案Serial Old收集。

G1收集器：在JDK1.7中正式发布，与现状的新生代、老年代概念有很大不同，目前使用较少，不做介绍。

注意并发（Concurrent）和并行（Parallel）的区别：

• 并发是指用户线程与GC线程同时执行（不一定是并行，可能交替，但总体上是在同时执行的），不需要停顿用户线程（其实在CMS中用户线程还是需要停顿的，只是非常短，GC线程在另一个CPU上执行）；
• 并行收集是指多个GC线程并行工作，但此时用户线程是暂停的；

所以，Serial是串行的，Parallel收集器是并行的，而CMS收集器是并发的.

关于JVM参数配置和内存调优实例，见我的下一篇博客（编写中：Java系列笔记(4) - JVM监控与调优），本来想写在同一篇博客里的，无奈内容太多，只好另起一篇。

说明：
　　本文是Java系列笔记的第3篇，这篇文章写了很久，主要是Java内存和GC机制相对复杂，难以理解，加上本人这段时间项目和生活中耗费的时间很多，所以进度缓慢。文中大多数笔记内容来源于我在网络上查到的博客和《深入理解Java虚拟机：JVM高级特效与最佳实现》一书。
　　本人能力有限，如果有错漏，请留言指正。

参考资料：

• 《JAVA编程思想》，第5章；
• 《Java深度历险》，Java垃圾回收机制与引用类型；
• 《深入理解Java虚拟机：JVM高级特效与最佳实现》，第2-3章；
• 成为JavaGC专家Part II — 如何监控Java垃圾回收机制, http://www.importnew.com/2057.html
• JDK5.0垃圾收集优化之--Don't Pause,http://calvin.iteye.com/blog/91905
• 【原】java内存区域理解-初步了解，http://iamzhongyong.iteye.com/blog/1333100
• 关于施用full gc频繁的分析及解决：http://www.07net01.com/zhishi/383213.html

面试题：“你能不能谈谈，java GC是在什么时候，对什么东西，做了什么事情？”

本部分来自面试题：“你能不能谈谈，java GC是在什么时候，对什么东西，做了什么事情？”

面试题目：

地球人都知道，Java有个东西叫垃圾收集器，它让创建的对象不需要像c/cpp那样delete、free掉，你能不能谈谈，GC是在什么时候，对什么东西，做了什么事情？

一.回答：什么时候?

1.系统空闲的时候。

分析：这种回答大约占30%，遇到的话一般我就会准备转向别的话题，譬如算法、譬如SSH看看能否发掘一些他擅长的其他方面。

2.系统自身决定，不可预测的时间/调用System.gc()的时候。

分析：这种回答大约占55%，大部分应届生都能回答到这个答案，起码不能算错误是吧，后续应当细分一下到底是语言表述导致答案太笼统，还是本身就只有这样一个模糊的认识。

3.能说出新生代、老年代结构，能提出minor gc/full gc

分析：到了这个层次，基本上能说对GC运作有概念上的了解，譬如看过《深入JVM虚拟机》之类的。这部分不足10%。

4.能说明minor gc/full gc的触发条件、OOM的触发条件，降低GC的调优的策略。

分析：列举一些我期望的回答：eden满了minor gc，升到老年代的对象大于老年代剩余空间full
gc，或者小于时被HandlePromotionFailure参数强制full
gc；gc与非gc时间耗时超过了GCTimeRatio的限制引发OOM，调优诸如通过NewRatio控制新生代老年代比例，通过
MaxTenuringThreshold控制进入老年前生存次数等……能回答道这个阶段就会给我带来比较高的期望了，当然面试的时候正常人都不会记得每个参数的拼写，我自己写这段话的时候也是翻过手册的。回答道这部分的小于2%。

总结：程序员不能具体控制时间，系统在不可预测的时间调用System.gc()函数的时候；当然可以通过调优，用NewRatio控制newObject和oldObject的比例，用MaxTenuringThreshold 控制进入oldObject的次数，使得oldObject 存储空间延迟达到full gc,从而使得计时器引发gc时间延迟OOM的时间延迟，以延长对象生存期。

二.回答：对什么东西？

1.不使用的对象。

分析：相当于没有回答，问题就是在问什么对象才是“不使用的对象”。大约占30%。

2.超出作用域的对象/引用计数为空的对象。

分析：这2个回答站了60%，相当高的比例，估计学校教java的时候老师就是这样教的。第一个回答没有解决我的疑问，gc到底怎么判断哪些对象在不在作用域的？至于引用计数来判断对象是否可收集的，我可以会补充一个下面这个例子让面试者分析一下obj1、obj2是否会被GC掉？

    class C{
         public Object x;
    }
    C obj1、obj2 = new C();
    obj1.x = obj2;
    obj2.x = obj1;
    obj1、obj2 = null;

3.从gc root开始搜索，搜索不到的对象。

分析：根对象查找、标记已经算是不错了，小于5%的人可以回答道这步，估计是引用计数的方式太“深入民心”了。基本可以得到这个问题全部分数。
PS：有面试者在这个问补充强引用、弱引用、软引用、幻影引用区别等，不是我想问的答案，但可以加分。

4.从root搜索不到，而且经过第一次标记、清理后，仍然没有复活的对象。

分析：我期待的答案。但是的确很少面试者会回答到这一点，所以在我心中回答道第3点我就给全部分数。

总结：超出了作用域或引用计数为空的对象；从gc root开始搜索找不到的对象，而且经过一次标记、清理，仍然没有复活的对象。

三.回答：做什么？

1.删除不使用的对象，腾出内存空间。

分析：同问题2第一点。40%。

2.补充一些诸如停止其他线程执行、运行finalize等的说明。

分析：起码把问题具体化了一些，如果像答案1那样我很难在回答中找到话题继续展开，大约占40%的人。
补充一点题外话，面试时我最怕遇到的回答就是“这个问题我说不上来，但是遇到的时候我上网搜一下能做出来”。做程序开发确实不是去锻炼茴香豆的“茴”有几种写法，不死记硬背我同意，我不会纠语法、单词，但是多少你说个思路呀，要直接回答一个上网搜，我完全没办法从中获取可以评价应聘者的信息，也很难从回答中继续发掘话题展开讨论。建议大家尽量回答引向自己熟悉的，可讨论的领域，展现给面试官最擅长的一面。

3.能说出诸如新生代做的是复制清理、from survivor、to survivor是干啥用的、老年代做的是标记清理、标记清理后碎片要不要整理、复制清理和标记清理有有什么优劣势等。

分析：也是看过《深入JVM虚拟机》的基本都能回答道这个程度，其实到这个程度我已经比较期待了。同样小于10%。

4.除了3外，还能讲清楚串行、并行（整理/不整理碎片）、CMS等搜集器可作用的年代、特点、优劣势，并且能说明控制/调整收集器选择的方式。

分析：同上面2个问题的第四点。

总结：删除不使用的对象，回收内存空间；运行默认的finalize,当然程序员想立刻调用就用dipose调用以释放资源如文件句柄，JVM用from survivor、to survivor对它进行标记清理，对象序列化后也可以使它复活。

千万不要说网上google下，就算说也要说出自己以前遇到这样的问题是怎么处理的，对这个知识有什么认识想法，然后可以反问下考官，这样可以不让技术型的考官为如何继续话题而对你无语，呵呵。