[转]成为JavaGC专家Part I — 深入浅出Java垃圾回收机制

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注：我只转了这篇文章的前一部分，后一部分的关于几种GC方式的解释，感觉不是很清晰。

 

对于Java开发人员来说，了解垃圾回收机制（GC）有哪些好处呢？首先可以满足作为一名软件工程师的求知欲，其次，深入了解GC如何工作可以帮你写出更好的Java应用。
这仅仅代表我个人的意见，但我坚信一个精通GC的人往往是一个好的Java开发者。如果你对GC的处理过程感兴趣，说明你已经具备较大规模应用的开发经验。如果你曾经想过如何正确的选择GC算法，那意味着你已经完全理解你所开发的应用的特点。当然，我们不能以偏概全，这不能作为评价一个好的开发人员的共通标准。但是，我要说的是，深入理解GC是成为一名伟大的程序员的必经之路。
这是成为JavaGC专家系列文章的第一篇，本篇主要针对GC机制进行介绍，在下一篇中，我们将重点探讨分析GC状态以及来自NHN的GC调优的例子。
本文的目的是以一种简单的方式向你介绍GC机制。我希望这些文章能够帮到你。实际上，我的学生已经在Twitter上发布了一些很好的关于Java内核的文章，并且大受欢迎。有兴趣的话，你也可以关注他们。
回到正题，咱们继续谈垃圾回收，在学习GC之前，你首先应该记住一个单词：“stop-the-world”。Stop-the-world会在任何一种GC算法中发生。Stop-the-world意味着 JVM 因为要执行GC而停止了应用程序的执行。当Stop-the-world发生时，除了GC所需的线程以外，所有线程都处于等待状态，直到GC任务完成。GC优化很多时候就是指减少Stop-the-world发生的时间。
按代的垃圾回收机制
在Java程序中不能显式地分配和注销内存。有些人把相关的对象设置为null或者调用System.gc()来试图显式地清理内存。设置为null至少没什么坏处，但是调用System.gc()会显著地影响系统性能，必须彻底杜绝（还好，我还没有见到NHN的哪个开发者调用这个方法）。
在Java中，开发人员无法直接在程序代码中清理内存，而是由垃圾回收器自动寻找不必要的垃圾对象，并且清理掉他们。垃圾回收器会在下面两种假设（hypotheses）成立的情况下被创建（称之为假设不如改为推测（suppositions）或者前提（preconditions））。
大多数对象会很快变得不可达

只有很少的由老对象（创建时间较长的对象）指向新生对象的引用

这些假设我们称之为弱年代假设（ weak generational hypothesis）。为了强化这一假设，HotSpot虚拟机将其物理上划分为两个–新生代（young generation）和老年代（old generation）。
新生代（Young generation）: 绝大多数最新被创建的对象会被分配到这里，由于大部分对象在创建后会很快变得不可到达，所以很多对象被创建在新生代，然后消失。对象从这个区域消失的过程我们称之为”minor GC“。
老年代（Old generation）: 对象没有变得不可达，并且从新生代中存活下来，会被拷贝到这里。其所占用的空间要比新生代多。也正由于其相对较大的空间，发生在老年代上的GC要比新生代少得多。对象从老年代中消失的过程，我们称之为”major GC“（或者”full GC“）
请看下面这个图表。



 图1 : GC 空间 & 数据流
上图中的持久代（ permanent generation ）也被称为方法区（method area）。他用来保存类常量以及字符串常量。因此，这个区域不是用来永久的存储那些从老年代存活下来的对象。这个区域也可能发生GC。并且发生在这个区域上的GC事件也会被算为major GC。
有些人可能会问：
如果老年代的对象需要引用一个新生代的对象，会发生什么呢？
为了解决这个问题，老年代中存在一个”card table“，他是一个512 byte大小的块。所有老年代的对象指向新生代对象的引用都会被记录在这个表中。当针对新生代执行GC的时候，只需要查询card table来决定是否可以被收集，而不用查询整个老年代。这个card table由一个write barrier来管理。write barrier给GC带来了很大的性能提升，虽然由此可能带来一些开销，但GC的整体时间被显著的减少。



图 2: Card Table 结构
 新生代的构成
为了更好地理解GC，我们现在来学习新生代，新生代是用来保存那些第一次被创建的对象，他可以被分为三个空间
 一个伊甸园空间（Eden ）

 两个幸存者空间（Survivor ）

一共有三个空间，其中包含两个幸存者空间。每个空间的执行顺序如下：
绝大多数刚刚被创建的对象会存放在伊甸园空间。

在伊甸园空间执行了第一次GC之后，存活的对象被移动到其中一个幸存者空间。

  此后，在伊甸园空间执行GC之后，存活的对象会被堆积在同一个幸存者空间。

 当一个幸存者空间饱和，还在存活的对象会被移动到另一个幸存者空间。之后会清空已经饱和的那个幸存者空间。

在以上的步骤中重复几次依然存活的对象，就会被移动到老年代。

如果你仔细观察这些步骤就会发现，其中一个幸存者空间必须保持是空的。如果两个幸存者空间都有数据，或者两个空间都是空的，那一定标志着你的系统出现了某种错误。
通过频繁的minor GC将数据移动到老年代的过程可以用下图来描述：



图 3: GC执行前后对比
需要注意的是HotSpot虚拟机使用了两种技术来加快内存分配。他们分别是是”bump-the-pointer“和“TLABs（Thread-Local Allocation Buffers）”。
Bump-the-pointer技术跟踪在伊甸园空间创建的最后一个对象。这个对象会被放在伊甸园空间的顶部。如果之后再需要创建对象，只需要检查伊甸园空间是否有足够的剩余空间。如果有足够的空间，对象就会被创建在伊甸园空间，并且被放置在顶部。这样以来，每次创建新的对象时，只需要检查最后被创建的对象。这将极大地加快内存分配速度。但是，如果我们在多线程的情况下，事情将截然不同。如果想要以线程安全的方式以多线程在伊甸园空间存储对象，不可避免的需要加锁，而这将极大地的影响性能。TLABs 是HotSpot虚拟机针对这一问题的解决方案。该方案为每一个线程在伊甸园空间分配一块独享的空间，这样每个线程只访问他们自己的TLAB空间，再与bump-the-pointer技术结合可以在不加锁的情况下分配内存。
以上是针对新生代空间GC技术的简要介绍，你不需要刻意记住我刚刚提到的两种技术。不知道他们不会对你产生什么影响，但是请务必记住在对象刚刚被创建之后，是保存在伊甸园空间的。那些长期存活的对象会经由幸存者空间转存在老年代空间。