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譯文-java垃圾回收機制

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摘要：原文出處垃圾回收機制標記清除算法介紹最主要的理論算法之一，在實踐過程中，為了真實情景需要，需要許多調整。因此不會僅僅標記清除，垃圾回收期間，內存整理進程同時在工作。不同內存區域的垃圾收集機制不辣么容易理解。

原文出處：java垃圾回收機制

標記清除算法介紹最主要的理論算法之一，在實踐過程中，為了真實情景需要，需要許多調整。舉一個簡單例子，我們檢查JVM需要做的各種事情，以便我們安全地去創建對象。

清除壓縮

當清除期間，JVM必須確保區域被不可達對象填充。這會(終將會)導致內存碎片化，同樣會導致磁盤碎片化，由此產生兩個問題：

寫操作因為尋找下一個足夠尺寸的空間變得耗費時間，這個寫操作不再簡單。

當創建新對象的時候，JVM分配一個連續的空間。如果內存碎片遍布每一個點，沒有足夠的空間容納新創建的對象，分配就會發生錯誤。

為了避免上面的問題，JVM會確保碎片化不會失控。因此不會僅僅標記清除，垃圾回收期間，"內存整理"進程同時在工作。這個進程重新分配所有的可達對象讓他們緊密排列，消除（或者減少）碎片。下面是示意圖：

分代假設

正如我們之前提到，垃圾收集會引起應用徹底停頓。對象越多回收垃圾花費的時間越長，這是顯而易見的。如果我們把使用一小塊內存工作變成可能，那又會怎樣呢？為了研究這種可行性，一些專家發現應用的大多數內存分為以下兩種情況：

絕大多數對象很快就成為無用對象。

很少部分對象講過很長時間存活下來。

上面的觀察結果歸類于新生代假設。基于這個假設：VM內存空間被劃分為Young代 和Old代，后者有時也叫做Tenured。

眾多算法在提升GC性能上已經取得進展，使得擁有這樣一個獨立易清除的內存區域變成現實。

這種方式雖說不上毫無問題。當垃圾收集器收集一個分代中的對象的時候，不同分代中的對象彼此相互引用的時，實際上被當作"GC roots"。

但是更更要的一點是，分代假設并不適用于一些應用。自此，因為那些“夭折”和“有可能永生”的對象,GC算法做了優化，JVM對那些期待更久生命的對象表現得友好。

內存空間

讀者應該了解下圖中java堆區里面的內存劃分。不同內存區域的垃圾收集機制不辣么容易理解。應該注意，不同GC算法實現細節可能不同，然而它們的理念是一致的。

Eden

Eden區是對象被新創建的時候分配的內存區域。在這個區域中，多線程可以同時創建多個對象。在Eden區里，Eden 被分成一個或多個Thread Local Allocation Buffer (縮寫：TLAB)。在這些緩存里，JVM允許線程在對應的緩存中分配絕大多數的對象，避免昂貴的多線程同步。

當TLAB中不能分配空間時（因為空間不足），JVM會移到共享的Eden區去分配，如果共享Eden空間也不足時，Young代中垃圾回收器去釋放更多的空間。如果在GC之后還沒有足夠的空間以供使用，對象會在Old代中分配。

當Eden回收期間，GC把所有的可達對象標記為存活。

我們已經提前注意到，對象可以跨代關聯，因此我們必須有一個快捷途徑去檢查其他代的對象引用Eden區中的對象。

從一開始就記錄所有的分代引用是不可取的， JVM有自己的機制：卡標記。事實上，JVM僅僅標記Eden里面有可能Old代引用Eden代的對象的“臟”對象的位置，你可以在Nitsan的博客里了解更多的信息。

標記階段完成之后，Eden區下面所有存活的對象被復制到Survivor下面的一塊區域中。現在，Eden區被清空，重新分配新建對象。正如“標記-復制”的名稱一樣：存活的對象被標記，然后復制(不是移動)到Survivor區。

Survivor區

緊鄰Eden區的下一個區域時兩個叫做from和to的Survivor區。需要注意的一點，兩塊區域中的一塊是空的。

Survivor中的空的區域會保存下一刻Young代中垃圾回收后的對象。Young代所有存活的對象（包括Eden區和Survior區中非空的from區域）被復制到Survivor區的"to"區域。在這之后，“to”區域存放所有對象，“from”區域清空。兩者進行調換（譯者注：即from變成to,to變成from）。

在兩個區域進行數次復制存活對象操作，直到一些對象足夠成熟（“old enough”）。記住這一點，基于分代假設，一些對象在數次GC之后存活下來，而且在很長一段時間內繼續被引用。

這樣的“tenured”對象會升級到Old代。這種情況發生的時候，對象不再從Survuvor區一個區域移動到另外一個區域，而是進入Old區，在成為不可達對象之前它們一直存在在old區中。

為了確定哪些對象“old enough”,需要為old區提供一種算法，GC記錄幸存對象的詳細信息。每代GC完成之后，那些依然存活的對象年齡進行增長。每當年齡超過設定的閥值之后，對象才會被升遷到old區。

實際上閥值被JVM動態設定，-XX:+MaxTenuringThreshold 除外，它設置最高限定。XX:+MaxTenuringThreshold=0 表示跳過Survivor區的兩個區域之間復制過程直接進入old區。jvm默認閥值是GC循環15次。在Hotspot是最大值。

Survivor區空間不足以容納Young代所有存活對象的時候升遷操作被提前觸發。

Old代

Old代的具體實現細節巨復雜。Old代通常被那些幾乎不可能被當作垃圾的對象占據。

Old代GC觸發的次數比Young代少。因此，Old代中的存活對象，不會發生標記復制過程。相反，這些對象保持最小碎片化。這種算法建立在不同維度之上。大體上，分為以下幾步：

通過設置所有GC roots可達的對象標記位來標記所有可達對象。

刪除所有的不可達對象。

通過復制對象并緊密排列在Old區的頂端壓縮Old區的空間。

正如你看到上面描述的那樣，Old代的GC必須明確處理壓縮錯左避免過多的碎片。

PermGen

JAVA 8之前中被稱作“Permanent Generation”的特殊區域。這是以前存放例如class的metadata。而，Permgen還存儲String之類的額外數據。實際上為JAVA開發者添加了許多麻煩，因為很難預測到底需要多少的空間。這些錯誤的預測結果表現形式為java.lang.OutOfMemoryError: Permgen space。除非是類似OutOfMemoryError的原因是真的是因為內存泄漏，解決這種問題的簡單方法是增加permgen尺寸。下圖中設置permgen尺寸的最大值為256M：

java -XX:MaxPermSize=256m

Metaspace

正如預測metadata是一件紛繁復雜的事情那樣，JAVA 8移除了Permanent區，換作Metaspace。從那時起，絕大多數復雜的事情都被移到Java heap區。

類定義文件，現在都存入叫做“Metaspace”的區域中。他相當于本地內存的一塊區域。理論上，Metaspace尺寸僅僅受限于JAVA進程可獲得本地內存大小。將JAVA開發人員從僅僅在應用多增加一個類就造成java.lang.OutOfMemoryError: Permgen space的困境中解脫出來。需要注意的是這個看起來不受限制沒有損失的空間-讓Metaspace無限制的增長你會引起內存重交換或者/和本地內存分配失敗。

某些場合你希望保護自己，你可以如下圖所示限制Metaspace增長，Metaspace尺寸限制在265M：

java -XX:MaxMetaspaceSize=256m

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