JVM中一次完整的GC流程

一、JVM 内存模型概述

在了解 GC 流程之前，先简单回顾一下 JVM 的内存模型。JVM 将内存划分为几个不同的区域，主要包括：

堆（Heap）：用于存放对象实例。堆分为两个主要区域：新生代（Young Generation）和老年代（Old Generation）。
- 新生代（Young Generation）：新创建的对象首先分配到新生代，其中又分为三个部分：Eden 区、From Survivor 区和 To Survivor 区。
- 老年代（Old Generation）：存储那些生命周期较长、不再频繁变化的对象。
方法区（Method Area）：用于存放类结构、常量、静态变量等元数据，JDK 8 及以后用元空间（Metaspace）取代了永久代（PermGen）。
栈（Stack）：每个线程都有自己的栈，用于存放局部变量、操作数栈等。

二、GC 类型及触发条件

JVM 中的 GC 主要分为以下几种类型：

Minor GC：主要发生在新生代。当新生代的 Eden 区被填满时触发，将存活的对象移到 Survivor 区。通常执行频繁，但速度较快。
Major GC 或 Full GC：主要发生在老年代。当老年代被填满或某些情况下新生代不足以容纳新对象时触发。Full GC 回收整个堆（包括新生代和老年代），执行速度较慢，但回收效率高。

三、完整的 GC 流程

一个完整的 GC 流程可以分为以下几个步骤：

1. 新生代垃圾回收（Minor GC）

1.1 新生代分配和对象创建

当应用程序创建对象时，JVM 首先尝试将对象分配到新生代的 Eden 区。
如果 Eden 区空间不足以容纳新对象，JVM 会触发一次 Minor GC。

1.2 Minor GC 触发和执行

标记存活对象：Minor GC 会首先遍历新生代中的所有对象，标记仍然存活的对象（即在根可达性分析中依然可达的对象）。
清除非存活对象：标记完成后，清除新生代中所有不可达（垃圾）对象的内存空间。
对象复制和晋升：将存活的对象从 Eden 区复制到 Survivor 区（通常是 From Survivor 区），并根据年龄（即对象经历过的 Minor GC 次数）决定是否将对象晋升到老年代。

1.3 Survivor 区的交换

新生代中有两个 Survivor 区，分别称为 From Survivor 和 To Survivor。每次 Minor GC 后，存活对象会从 Eden 区和 From Survivor 区复制到 To Survivor 区。
在下一次 Minor GC 时，From Survivor 和 To Survivor 区的角色互换，确保新生代中始终有一个空闲的 Survivor 区。

2. 对象的晋升（Promotion）

2.1 晋升条件

对象年龄：每个对象在 Survivor 区中每经历一次 Minor GC，年龄（Age）会增加 1。当对象的年龄达到一个阈值（通常是 15）时，JVM 会将该对象晋升到老年代。
Survivor 区不足：如果 Survivor 区的空间不足以容纳一次 GC 之后所有存活的对象，这些对象也会直接晋升到老年代。
大对象：大对象（例如大数组或大量字符串）可能直接进入老年代，以避免在新生代复制时导致频繁的 GC。

2.2 晋升过程

晋升过程就是将符合条件的对象从新生代（Survivor 区）移动到老年代，以确保新生代有足够的空间供新的对象分配。

3. 老年代垃圾回收（Major GC 或 Full GC）

3.1 触发条件

老年代满了：当老年代的空间被填满或接近满时，会触发 Major GC 或 Full GC。
新生代无法容纳新对象：有时，新生代无法容纳新对象且老年代也接近满，会触发 Full GC。
手动触发：开发者可以通过调用 System.gc() 手动请求 JVM 执行 Full GC（但不保证立即执行）。

3.2 Major GC 的执行

标记存活对象：JVM 首先标记老年代中存活的对象，类似于 Minor GC 的标记过程。
清除和压缩：Major GC 通常会清除不可达的对象，并可能执行内存压缩（Compact），即将存活对象移动到连续的内存块中，释放出大片的可用空间，避免内存碎片问题。

3.3 Major GC 的代价

Major GC 或 Full GC 的代价较高，因为它回收整个堆内存，通常需要停止所有应用线程（STW，Stop-The-World），这会导致应用程序暂停。为了减少 Major GC 的频率和影响，通常需要优化老年代的使用情况，避免频繁触发 Full GC。

四、GC 算法

JVM 中主要使用以下几种垃圾回收算法：

标记-清除算法（Mark-Sweep）：最基本的 GC 算法。标记阶段遍历对象图，标记所有存活的对象，清除阶段回收所有未标记的对象。其缺点是会产生内存碎片。
标记-整理算法（Mark-Compact）：在标记存活对象后，移动存活对象使它们在内存中连续排列，并清除后面的内存。适用于老年代，减少碎片化问题。
复制算法（Copying）：主要用于新生代，将存活的对象从一块内存复制到另一块内存，清除原内存中的所有对象。该算法效率高，但浪费内存（需要两倍的空间）。
分代收集算法（Generational GC）：结合了上述算法，将堆内存划分为新生代和老年代，根据对象的生命周期采用不同的 GC 算法。新生代使用复制算法，老年代使用标记-清除或标记-整理算法。

五、GC 日志分析与优化

通过分析 GC 日志，开发者可以评估 GC 的效率并发现性能瓶颈。例如，可以查看 Minor GC 和 Major GC 的频率、每次 GC 的耗时、堆的使用情况等。通过调整 JVM 参数（如堆大小、分区比例、GC 算法选择），可以优化应用程序的内存管理，减少 GC 对性能的影响。

一些常用的 JVM 参数包括：

-Xms 和 -Xmx：设置堆的初始和最大大小。
-XX:NewRatio：设置新生代和老年代的比例。
-XX:SurvivorRatio：设置 Eden 区和 Survivor 区的比例。
-XX:MaxTenuringThreshold：设置对象在 Survivor 区的最大年龄，超过此年龄对象晋升到老年代。

六、总结

JVM 的 GC 是一个复杂但至关重要的机制，通过分代收集算法有效地管理内存。新生代的 Minor GC 主要负责处理生命周期较短的对象，而老年代的 Major GC 则处理生命周期较长的对象。理解对象的晋升过程、GC 的执行步骤及其对应用性能的影响，是优化 Java 应用程序性能的重要方面。通过合理配置 JVM 参数和分析 GC 日志，可以减少 GC 对应用程序的性能影响，提升系统的稳定性和响应速度。