了解Java中的垃圾回收（GC）的工作原理有什么好处？满足软件工程师的求知欲是一个正当的理由，不仅如此，了解GC的工作原理也可以帮助您编写更好的Java应用程序。

这是我个人的非常主观的看法，但是我相信精通GC的人往往是更好的Java开发人员。如果您对GC流程感兴趣，则意味着您具有开发特定大小的应用程序的经验。如果您仔细地考虑过选择正确的GC算法，则意味着您完全了解所开发应用程序的功能。当然，对于优秀的开发人员来说，这可能不是通用的标准。但是，当我说理解GC是成为一名出色的Java开发人员的要求时，很少有人会反对。 

这是“ 成为Java GC专家 ”系列文章中的第一篇。这次我将介绍GC，在下一篇文章中，我将讨论分析特定的GC状态和调优示例。

在学习GC之前，您应该了解一个术语。术语是STW( Stop The World ）。意味着JVM需要停止运行应用程序以执行GC。这意味着除GC所需的线程以外的所有线程都将停止其任务，无法处理外部响应。。被中断的任务将仅在GC任务完成后才能恢复。无论您选择哪种GC算法，STW都会发生。GC调优通常意味着减少STW时间。

分代垃圾收集 

Java没有显式释放内存的操作。有人将相关对象设置为null或使用System.gc()方法显式释放内存，这是不合适的。调用System.gc()方法将触发垃圾回收，极大地影响系统性能。将对象设为null其实在大多种场景下没有任何意义。

在Java中，由于开发人员未明确删除程序代码中的内存，因此垃圾收集器会找到不再需要的（垃圾）对象并将其删除。该垃圾收集器是基于以下两个假设创建的。

1、大多数新创建的对象生命周期都很短

2、从老对象到新对象的引用数量很少。

这些假设称为分代假设。基于此，在HotSpot VM实现中将其从物理上分为年轻代和老年代。

年轻代(Yong Gen)：大多数新创建的对象都位于此处。由于大多数对象很快变得无法访问，因此许多对象是在年轻一代中创建的，然后死亡了。当回收年轻代对象时，我们称之为“ Minor GC ”。

年老代(Old Gen)：从年轻代幸存下来的对象复制到此处。它通常比年轻一代大。同时一些大对象也在此分配。由于它的大小较大，因此与年轻一代相比，GC发生的频率会降低，耗时会更久。当回收老年代对象时，我们说发生了“  Major GC ”（或“ Full GC ”）。

见下图：

图1：GC区域和数据流。

上表中的永久代也称为“ 方法区域 ”，它存储类或长量字符串。在该区域可能会发生GC，此处发生的GC仍被视为Major GC（Full GC）。 

有人可能会怀疑：

如果老一代的对象需要引用年轻一代的对象怎么办？

为了处理这些情况，在年老代中有一个称为“ 卡片表 ”的东西，它是一个512字节的块。每当年老代中的对象引用年轻一代中的对象时，该对象都会记录在此表中。当为年轻代执行GC时，仅搜索此卡表以确定它是否适用于GC，而不是检查年老代中所有对象的引用。

图2：卡片表结构。

年轻代的组成

年轻代是第一次创建对象的地方。年轻一代分为3个空间。 

一个 Eden区

两个 Survivor（From，To）区

总共有3个区，其中两个是幸存者区。每个区的执行过程顺序如下：

1、大多数新创建的对象位于Eden区中。

2、在Eden区中进行一次GC之后，将幸存的对象移动到其中一个Survivor区。 

3、在Eden区进行GC之后，将这些对象堆积到Survivor区中，该区中已经存在其他幸存的物体。

4、一旦Survivor区已满，就将幸存对象移动到另一个Survivor区。然后，已满的Survivor区将更改为完全没有数据的状态。

在这些步骤中幸存下来的对象（已重复多次）被移到了年老代。

通过检查这些步骤可以看到，Survivor区之一必须保持为空。

下表显示了通过次要GC收集到旧数据中的数据的过程：

图3：GC前和后。

在HotSpot VM中，使用两种技术来加快内存分配。一个称为“ 碰撞指针 ”，另一个称为“ TLAB（线程本地分配缓冲区）”。 

指针碰撞技术跟踪分配给Eden区的最后一个对象。该物体将位于Eden区的顶部。并且如果之后创建了一个对象，则仅检查该对象的大小是否适合Eden空间。如果上述对象看起来正确，它将被放置在Eden空间中，新对象将位于顶部。因此，在创建新对象时，仅需要检查最后添加的对象，从而可以更快地分配内存。但是，如果我们考虑多线程环境，则情况就不同了。为了将多个线程使用的对象保存在Eden空间中以确保线程安全，将发生不可避免的锁定，并且由于锁定竞争而导致性能下降。TLAB 是HotSpot VM中解决此问题的方法。这允许每个线程在其Eden空间中有一小部分与其对应的份额相对应。由于每个线程只能访问自己的TLAB，因此即使是“撞球指针”技术也可以在没有锁的情况下分配内存。 

年老代GC

当堆空间不够用时会发生年老代GC。年老代GC的执行过程根据GC策略类型的不同区别很大。对于JDK 7，8，有5种GC类型。 

1、Serial GC - 串行GC

2、Parallel GC - 并行GC

3、Parallel Old GC (Parallel Compacting GC) 

4、Concurrent Mark & Sweep GC  (or "CMS") 

5、Garbage First (G1) GC

其中，Serial GC不得在运行服务器上使用。当台式计算机上只有一个CPU内核时，就会创建此GC类型。使用此串行GC将大大降低应用程序性能。 

现在让我们了解每种GC类型。

串行GC（-XX：+ UseSerialGC）

年轻一代中的GC使用我们在上一段中介绍的类型。老一代的GC使用一种称为“ mark-sweep-compact ” 的算法。

标记-清除-整理算法会将清理后的堆的整理成连续的内存空间。

串行GC适用于较小的内存和少量的CPU内核。

并行GC（-XX：+ UseParallelGC）

图4：串行GC和并行GC之间的区别。

从图片中，您可以轻松地看到串行GC和并行GC之间的区别。串行GC仅使用一个线程来处理GC，而并行GC使用多个线程来处理GC，因此速度更快。当有足够的内存和大量内核时，此GC很有用。也称为“ 吞吐量GC”。 

并行旧GC（-XX：+ UseParallelOldGC）

从JDK5开始支持。与并行GC相比，唯一的区别是年老代的GC算法相对复杂。它经历了三个步骤：标记–摘要–整理。

CMS GC（-XX：+ UseConcMarkSweepGC）

图5：串行GC和CMS GC

从图片中可以看到，CMS比到目前为止我所解释的任何其他GC类型都要复杂得多。早期的初始标记步骤很简单。在最接近类加载器的对象中搜索尚存的对象。因此，暂停时间很短。在并发标记步骤中，跟踪并检查了刚被确认的存活对象所引用的对象。此步骤的不同之处在于，它是在同时处理其他线程的同时进行的。在重新标记步骤中，将检查并发标记步骤中新添加或停止引用的对象。最后，在并发收集中步骤，将执行垃圾收集过程。在仍在处理其他线程时执行垃圾回收。由于以这种方式执行此GC类型，因此GC的暂停时间非常短。CMS GC也称为低延迟GC，在所有应用程序的响应时间至关重要时使用。 

CMS的一大有点是缩短了STW时间，但它也具有以下缺点：

1、它比其他GC类型使用更多的内存和CPU。

2、默认情况下不提供压缩步骤，容易导致内存碎片

使用此类型之前，您需要仔细检查。另外，如果由于内存碎片过多而需要执行压缩任务，那么STW时间可能比任何其他GC类型都要长。您需要检查压缩任务执行的频率和时间。

G1 GC

最后，让我们了解G1 GC。 

图6：G1 GC的布局。

如果您想了解G1 GC，请忘记所有有关年轻一代和老一代的知识。如您在图片中看到的，将一个对象分配给每个Region，然后执行GC。G1 GC是基于停顿时间为目标的回收算法，以最大程度的减少STW