面试题：Java垃圾回收调优中的内存分配与回收策略

Question

在Java垃圾回收调优过程中，内存分配与回收策略是至关重要的。请详细阐述对象在新生代和老年代的分配规则，以及不同垃圾回收器如何依据这些规则进行优化。

Answer 1

对象在新生代和老年代的分配规则

1. 新生代分配规则：
   • 大多数新创建的对象：Java中，新创建的对象通常首先分配在新生代的Eden区。例如，当执行Object obj = new Object();时，obj对象会优先在Eden区分配内存。
   • Eden区满时：当Eden区的空间被占满，会触发Minor GC（新生代垃圾回收）。此时，Eden区和From Survivor区中存活的对象会被复制到To Survivor区，而未被引用的对象则被回收。From Survivor区和To Survivor区是新生代中的两个Survivor区，它们的角色在每次垃圾回收后会互换。
   • 对象晋升：对象每经历一次Minor GC且存活，年龄（对象头中记录对象经历GC次数的字段）就会加1。当对象的年龄达到一定阈值（默认是15，可通过-XX:MaxTenuringThreshold参数调整），该对象会被晋升到老年代。例如，一个对象在新生代经过15次Minor GC后仍然存活，就会被移动到老年代。
2. 老年代分配规则：
   • 大对象直接进入老年代：所谓大对象，是指需要大量连续内存空间的对象，比如很长的数组。通过-XX:PretenureSizeThreshold参数可以设置大对象的大小，超过此大小的对象直接在老年代分配内存，避免在新生代中因频繁复制而影响性能。例如，如果设置-XX:PretenureSizeThreshold = 1024 * 1024（即1MB），那么大于1MB的对象会直接在老年代分配。
   • 长期存活的对象：如上述提到，当对象在新生代经历多次Minor GC且年龄达到晋升阈值时，会晋升到老年代。

不同垃圾回收器依据这些规则的优化

1. Serial垃圾回收器：
   • 新生代：Serial垃圾回收器在新生代采用复制算法。在Minor GC时，它会暂停所有应用线程，将Eden区和From Survivor区中存活的对象复制到To Survivor区。由于是单线程回收，它适用于单核环境，且在回收过程中应用程序处于停顿状态。它会严格按照对象在新生代的分配和晋升规则进行操作，确保对象在不同区域间合理移动。
   • 老年代：在老年代采用标记 - 压缩算法。在Full GC（针对老年代和新生代的垃圾回收）时，同样暂停应用线程，先标记出老年代中存活的对象，然后将存活对象压缩到内存一端，清理掉另一端的空间。它根据对象在老年代的分配规则，处理大对象和晋升对象的内存管理。
2. Parallel Scavenge垃圾回收器：
   • 新生代：Parallel Scavenge垃圾回收器在新生代也采用复制算法，但它是多线程的。多个线程同时进行垃圾回收，能有效缩短垃圾回收时间。它以吞吐量为优先目标，通过调整新生代的大小、对象晋升阈值等参数，来优化垃圾回收过程，使应用程序在运行过程中尽可能少地被垃圾回收打断，从而提高整体吞吐量。它同样遵循对象在新生代的分配和晋升规则。
   • 老年代：Parallel Scavenge垃圾回收器通常搭配Parallel Old垃圾回收器来处理老年代。Parallel Old垃圾回收器在老年代采用多线程的标记 - 压缩算法。在Full GC时，多线程并行标记和压缩老年代中的存活对象，提高老年代垃圾回收的效率，并且按照老年代对象分配规则管理内存。
3. CMS（Concurrent Mark Sweep）垃圾回收器：
   • 新生代：CMS垃圾回收器在新生代一般搭配ParNew垃圾回收器（它是Serial垃圾回收器的多线程版本）。ParNew垃圾回收器在新生代采用多线程的复制算法进行Minor GC，遵循新生代对象分配和晋升规则。
   • 老年代：CMS垃圾回收器在老年代采用标记 - 清除算法。它的目标是尽量减少垃圾回收时应用程序的停顿时间。在垃圾回收过程中，它分为初始标记（STW，停顿所有应用线程，标记出与GC Roots直接相连的对象）、并发标记（与应用程序并发执行，标记出所有存活对象）、重新标记（STW，修正并发标记期间因应用程序运行导致标记变动的部分）和并发清除（与应用程序并发执行，清除未标记的对象）几个阶段。它根据老年代对象分配规则管理大对象和晋升对象，但标记 - 清除算法可能会产生内存碎片问题。
4. G1（Garbage - First）垃圾回收器：
   • 整体区域划分：G1垃圾回收器将堆内存划分为多个大小相等的Region，这些Region既可以属于新生代，也可以属于老年代。
   • 新生代：G1垃圾回收器在新生代采用复制算法。它通过动态调整新生代的Region数量来管理内存。在进行新生代垃圾回收（Mixed GC）时，它会根据垃圾回收的收益（回收的垃圾数量）和成本（暂停时间），选择部分Region进行回收，遵循对象在新生代的分配和晋升规则。
   • 老年代：在老年代，G1同样采用复制算法。当老年代空间占用达到一定阈值（可通过-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent参数设置，默认45%），会触发混合回收，回收一部分新生代Region和老年代Region。G1会根据对象在老年代的分配规则，处理大对象和晋升对象，并通过整理Region来减少内存碎片。