Java堆和垃圾回收器

1. 介绍

Java的堆内存是JVM内存管理的重要对象，主要用于动态分配对象和数组。堆内存的结构可以分为几个区域：

• 新生代：新生代主要用于存放新创建的对象。新生代又分为：

  • Eden区：所有新对象首先分配在这个区域。当Eden区满时，会触发一次MinorGC，速度较快，回收频率也较高。
  • Survivor区：用于存储从Eden区复制过来的存活对象，分为S0和S1两个区域，用于进行对象的存活检查和存放。

• 老年代：当对象在新生代经历多次垃圾回收后仍然存活，它们会被移动到老年代。某些大对象可能会直接分配到老年代。当老年代满时，会触发MajorGC或FullGC，速度较慢，回收频率低。

• 永久代：在Java8之前，永久代用于存储类的元数据。但由于永久代大小固定，容易出现OOM问题，因此在Java8之后被元空间取代。

• 元空间：元空间用于存储类的元数据，使用本地内存，不受堆大小的限制，包括类结构、方法和字段等信息。

图示

垃圾回收算法

常见的垃圾回收算法包括：

• 标记-清除算法：分为标记和清除两个阶段。首先，从根节点（如静态变量）开始，标记所有可达的对象，然后清除那些不可达对象的内存。虽然实现简单，但可能会产生内存碎片。

• 复制算法：将内存分为两个区域，将存活的对象从当前区域复制到另一个区域，然后清理当前区域的对象。这种方法减少了内存碎片，但会浪费一些空间。

• 标记-整理算法：类似于标记-清除，但在清除阶段将存活的对象移到一起，减少内存碎片，这需要额外的时间开销。

• 分代收集算法：新生代对象生命周期短，使用复制算法；老年代对象生命周期长，使用标记-整理算法。这种策略提高了垃圾回收效率。

• 并发标记算法：使用三色标记法，将对象分为白色（未被访问）、灰色（已被访问但引用的对象还未被访问）和黑色（已被访问且引用的对象也被访问）。标记过程分为初识标记、并发标记和最终标记三个步骤。

图示

垃圾回收器

不同的垃圾回收器使用不同的算法和策略：

• Serial GC：使用复制算法，单线程执行，垃圾回收过程会暂停应用线程。

• Parallel GC：结合使用复制和标记-整理算法，多线程执行，减少垃圾回收时间，但同样会导致应用线程暂停。

• CMS GC：使用标记-清除和并发标记算法，通过并发标记减少应用线程的停顿时间。

• G1 GC：采用分代收集算法，将堆分为多个区域，优先回收垃圾最多的区域，旨在平衡应用线程的停顿时间和吞吐量，是Java8之后的默认回收器。

• ZGC：基于并发标记算法的低延迟垃圾回收器，应用线程的停顿时间可预测。从Java15开始，可以通过-XX:+UseZGC切换使用。

2. 代码案例

下面是一个示例代码，通过创建大量对象并使用System.gc()来触发垃圾回收。通过添加-XX:+PrintGCDetails参数，可以在控制台中输出垃圾回收的详细信息，以便分析垃圾回收的行为。还可以使用不同的垃圾回收器来观察行为变化，比如使用-XX:+UseG1GC。

public class GCDemo {
    private static final int _1MB = 1024 * 1024; // 定义1MB的常量

    static class MemoryObject {
        private byte[] memory = new byte[2 * _1MB]; // 创建一个2MB的对象
    }

    public static void main(String[] args) {
        // 1. 创建大对象并观察垃圾回收行为
        MemoryObject[] objects = new MemoryObject[10]; // 创建10个MemoryObject数组
        for (int i = 0; i < objects.length; i++) {
            objects[i] = new MemoryObject(); // 每次循环创建一个2MB的对象
            System.out.println("创建对象 " + i);
            // 2. 强制垃圾回收
            if (i % 2 == 0) { // 每创建两个对象强制垃圾回收一次
                System.gc(); // 调用垃圾回收
                System.out.println("在创建对象 " + i + " 后强制进行垃圾回收");
            }
        }

        // 3. 程序结束前进行最终的强制垃圾回收
        System.gc();
        System.out.println("在退出前强制进行最终的垃圾回收");
    }
}

这段代码首先定义了一个MemoryObject类，其中包含一个2MB的字节数组。在main方法中创建了一个MemoryObject数组，并在每次创建对象后强制触发垃圾回收。通过控制台输出，可以观察到不同垃圾回收策略对内存的影响，以及垃圾回收的时机和频率。

通过以上内容，相信大家对Java的堆内存和垃圾回收器有了更深入的理解。