本文將帶領大家一起來了解JVM垃圾回收(Garbage Collection)的前世今生，希望對初學者有所幫助。
JVM
首先用一張圖簡單的描述JVM的架構：
JVM的運行時數據區分為線程私有(圖中的白色部分)和數據共享區域(圖中的黃色部分)，而JVM的GC就是針對Heap空間進行的。
說明：文中如未特殊說明，默認是使用HotSpot JVM進行說明。
關于性能
我們研究學習GC機制的主要目的就是為了是我們開發的應用程序具有更高的性能，而根據具體應用程序需求的不同可以將對性能的需求大致分為兩方面：
- 更快的響應時間 -- Responsiveness
- 更大的吞度量 -- Throughput
例如在瀏覽網頁時，我們需要更快的響應時間；而更大的吞吐量則表現在需要在特定時間內處理盡可能多的任務，所以我們需要根據實際項目的需求來分析出我們到底是需要更快的響應時間還是更大的吞吐量。
為什么要進行垃圾回收？
在C語言中，我們需要手動的分配和釋放內存，而在Java中我們使用JVM的垃圾回收機制自動且動態的為我們釋放堆內存(Heap)，即刪除掉Dead狀態的對象(我們的應用程序中不在持有該對象的引用)并保留Alive狀態的對象(我們的應用程序中仍然有持有該對象引用的地方)，如果Heap中的對象越來越多就會造成OOM(內存溢出)并中斷我們應用程序的正常運行，所以對Heap進行垃圾回收是必須的，并且垃圾回收的性能將直接影響應用程序的性能。
垃圾回收的方法
Marking
首先GC會將會對Heap中的對象進行掃描(掃描所有的objects將會是一項非常耗時的操作)，并將Dead狀態的對象所占有的內存區域進行標記(黃色部分)，如下圖所示：
傻傻的刪除操作
標記完成后，GC就會將標記的內存區域中的對象回收并清理，清理完成后Memory Allocator會持有這些空閑部分引用的list，如果有新的內存分配請求Memory Allocator會查找出一塊滿足要求的內存進行分配。之所以稱這種方法為“傻傻的刪除操作”就是因為會產生很多的內存碎片，就類似我們的磁盤碎片一樣，而且Memory Allocator每次分配內存的時候都需要找出一塊能夠滿足需求的內存，更槽糕的是如果沒有能夠找到滿足需求的內存那就悲劇了。
Compacting
為了提高性能，誕生出了Compacting的方法，即現將標記的部分刪除，然后將Referenced objects占用的內存移動到一起(Compacting)，Memory Allocator會持有空閑部分開始的引用。這樣下次分配操作就變得方便和快速，但是當對象逐漸增多的時候，Compacting操作又會占用過多的時間。
JVM Generations
為了繼續提高GC的性能，heap被分為了幾個部分，即我們通常所說的generations。具體分為：Young Generation(年輕代)、Old Generation(老年代)和Permanent Generation(永久代，Java8提出了MetaSpace)，我在這里舉一個更能吸引大家的例子：將GC比喻成媒婆，Young Generation中的對象比喻成一個情竇初開的美女，而到Old Generation時剛才的美女變成了大齡剩女，而Permanent Generation中的元數據信息代表了女方的家人們(主要存儲的是被應用程序使用的classes、Java SE library classes和methods的元數據信息)，他們都一直在背后默默地支持女方。(這里需要說明一下，舉這個例子只為方便大家理解，沒有不尊重女性的意思，希望所有的女性朋友都能夠找到自己的如意郎君！)
而Yong Generation分成了三個部分：eden、S0、S1，下面我們來描述一下它們各自的作用：
在程序運行時不斷有新的objects被分配到eden中，即這里都是情竇初開的美女，當eden部分被填滿時，就會引發minor garbage collection，在這個階段應用程序暫停，直到完成回收，下面我們用幾幅圖來描述這個過程：
上圖說明：當Eden被填滿后，執行minor garbage collection，對Unreferenced objects進行標記，然后將Referenced objects復制到S0，而被標記的就被回收和清理(很多美女找到了如意郎君)，當然被標記的objects越多，執行minor garbage collection的效率就會越高。
上圖說明：當瑕疵minor garbage collection的時候，會將Eden和S0中未被標記的objects(依然沒有找到男朋友的美女)復制到S1，并且年齡增加了1，被標記的當然就是找到如意郎君的。
上圖表示又進行了一次minor garbage collection，然后一直重復此過程。
當S0或者S1中的一些Unreferenced objects達到一定年齡(美女的年齡超多了指定的年齡)就會被傳入到Old Generation(情竇初開的美女編程了大齡剩女)，而以上的這些步驟都屬于minor garbage collection。
同時，在Old Generation的objects也會被執行垃圾回收，即major garbage collection，即大齡剩女最終找到了如意郎君。
下面我們通過監控工具來向大家動態的展示這個過程。
動起來
首先我們要準備JDK及其Demo：下載地址
然后使用如下命令運行Java2demo這個例子：(注意路徑改成自己的，詳細的參數會在后面進行解釋)
java -Xmx100m -Xms3m -Xmn1m -XX:PermSize=20m -XX:MaxPermSize=20m -XX:+UseSerialGC -jar /Users/mac/Documents/jdkexample/demo/jfc/Java2D/Java2Demo.jar
運行成功會出現以下界面：(這里我使用的是Mac系統)
然后我們點擊Transforms部分，顯示如下：
然后我們使用jvisualvm命令啟動Visual VM：
然后我們選擇Tool--Plugins，在Available Plugins中選擇Visual GC并點擊Install進行安裝，安裝好后可以在Installed中看到Visual GC：
然后我們在Java VisualVM左側的Applications列表中選擇啟動的Java2Demo，右鍵點擊選擇打開，在右邊就可以看到Java2Demo運行的基本信息：
然后選擇Visual GC，就會看到動態的GC效果：
可以看到圖中的Eden、S0、S1的動態效果和我們上面的描述一致。
Garbage Collectors
首先我們看一下運行上述例子使用到的一些基本配置參數：
| 參數 | 描述 |
|---|---|
| -Xms | JVM運行的初始的Heap的大小 |
| -Xmx | 最大的Heap大小 |
| -Xmn | Yong Generation所占的大小 |
| -XX:PermSize | 設置初始的Permanent Generation的大小 |
| -XX:MaxPermSize | 設置Permanent Generation的最大尺寸 |
GC的幾種方式
下面我們介紹幾種GC的方式：
Serial GC
Serial GC是在Java SE 5和6中使用的，minor和major GC都是連續的執行且使用一個虛擬的CPU，內部使用的是我們在上面討論過的mark-compact的方法。該方式通常適用于不要求響應速度且運行在客戶端的機器，如果要使用Serial Collector可以使用如下配置參數：
-XX:+UseSerialGC
Parallel GC
Parallel GC使用多條線程來執行minor garbage collection，可以使用如下配置設置使用的線程數：
-XX:ParallelGCThreads=<desired number>
Parallel GC可以縮短minor garbage collection的執行時間，進而縮短應用程序的暫停時間。通常Parallel GC用來處理對吞吐量需求比較高的應用，可以使用如下配置參數使用Parallec GC：
-XX:+UseParallelGC
使用這個配置參數，minor部分會使用多個線程，而major部分使用一個線程。
-XX:+UserParallelOldGC
使用這個配置參數，minor和major都會使用多個線程進行處理，并且是多線程執行compacting操作。HotSpot JVM僅僅在major部分使用compacting，而minor部分則使用copy操作。
Concurrent Mark Sweep（CMS）Collector
該方式通常應用在對響應速度要求較高的應用中，minor部分使用的和和Parallel方式相同，即都是copy的方式，而major部分是和應用程序并行執行的，所以該方式只需要應用程序暫停很短的時間。使用CMS方式需要進行如下配置：
-XX:+UseConcMarkSweepGC #開啟CMS的方式
-XX:ParallelCMSThreads=<n> #使用的線程數
G1 Garbage Collector
G1 Garbage Collector是Java 7開始提出的一種不同于以上幾種實現方式的全新垃圾回收機制，我們會用另一篇文章單獨進行說明，如果我們想使用這種方式可以使用如下配置參數：
-XX:+UseG1GC
本文我們簡單的圖像表示方法分析了垃圾回收機制的流程和幾種實現方式，并使用Java VisualVM動態的展示了其過程，希望給初學者一些引導和靈感。
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