Java对象的GC回收年龄的研究
目录
1、介绍
2、内存结构
2.1、普通对象
2.2、数组对象
2.3、数组长度作用
2.4、为什么 age 用 4 位？
3、对象头组成
3.1、Mark Word（标记字段）
3.2、Class Pointer（类指针）
4、GC 发生的位置
4.1、新生代
4.2、老年代
4.3、元空间（Metaspace，Java 8+）
5、对象晋升
5.1、15 次 Minor GC
5.2、动态年龄判定
5.3、Survivor区存活时间
5.4、修改晋升年龄阈值
6、更长的存活的方案
6.1、扩大 Survivor 区大小
6.2、G1 垃圾回收器
前言
在 Java 中，GC 年龄（GC Age 或 Tenuring Threshold） 是用于衡量对象在 年轻代（Young Generation） 中经历垃圾回收（GC）次数的指标。GC 年龄决定了对象何时从年轻代晋升到老年代（Old Generation），是 Java 垃圾回收机制中重要的优化策略之一。
不同垃圾回收器的处理方式如下：
1、Serial/Parallel Scavenge：
使用经典的 复制算法，对象在 Survivor 区之间来回复制，GC 年龄逐步增加。晋升到老年代的逻辑与上述规则一致。
2、G1（Garbage-First）：
1.分区机制：
年轻代划分为多个 Region，对象晋升到老年代的 Region。
2.年龄表（Age Table）：
G1 维护每个 Region 的年龄表，记录对象的存活情况和 GC 年龄分布。
3.动态调整晋升阈值：
G1 会根据 Region 的填充情况动态调整晋升策略，优化吞吐量和延迟。
3、CMS：
与 Serial/Parallel 类似，但 CMS 更关注减少 Full GC 的停顿时间，晋升策略会更保守。
1、介绍
关于java对象，存放在jvm的堆内存里面，在jdk1.8版本后，如下图所示：
通过合理配置和监控 GC 年龄，可以显著提升 Java 应用的性能和稳定性。
2、内存结构
如下图所示：
2.1、普通对象
- 对象头：
- Mark Word（64 位）
- Class Pointer（64 位，或 32 位，若启用指针压缩）
- 实例数据：
- 存储对象的字段值（如
int、String等）
- 存储对象的字段值（如
- 对齐填充：
- 补齐到 8 字节边界
2.2、数组对象
- 对象头：
- Mark Word（64 位）
- Class Pointer（64 位，或 32 位，若启用指针压缩）
- Array Length（32 位，固定 4 字节）
- 实例数据：
- 存储数组元素（如
int[10]会存储 10 个int）
- 存储数组元素（如
- 对齐填充：
- 补齐到 8 字节边界
区别：
2.3、数组长度作用
1.数组的元数据：
数组需要知道自己的长度（元素个数），而普通对象的字段数量和类型由类定义决定，不需要在对象头中存储。
2.内存管理：
数组的元素是连续存储的，JVM 需要通过长度字段快速访问元素（如 array[index]）。
2.4、为什么 age 用 4 位？
如下图所示：
1. 4 位二进制数的限制
age字段在 Mark Word 中仅占 4 位，因此最大可表示的值为2^4−1=15。- 当对象在 Survivor 区中经历 15 次 Minor GC 后，其
age达到 15，会被晋升到老年代。
2. 设计权衡
- 节省空间：Mark Word 的总大小是固定的（64 位或 32 位），每个字段的位数需要精打细算。
age只用 4 位，避免浪费。 - 满足需求：大多数应用场景中，对象的存活周期不会超过 15 次 Minor GC。如果超过，直接晋升到老年代即可。
- 兼容性：若
age需要更多位（如 5 位），则需重新设计 Mark Word 的布局，可能影响其他字段（如哈希码、锁状态）的存储。
3、对象头组成
关于mark word的数据结构可参考：对于Synchronized和Volatile的深入理解-CSDN博客
Mark Word 的结构如下所示（以 64 位 JVM 为例）：
锁标志位可分为：
-
00：轻量级锁
-
01：无锁/偏向锁
-
10：重量级锁
-
11：GC标记
对象头（Object Header）是对象在内存中的元数据区域，通常由两部分组成：
- Mark Word：存储对象的运行时数据，如哈希码、锁状态、GC 分代年龄（age）等。
- Class Pointer：指向对象所属类的元数据（如
java.lang.Class）。
3.1、Mark Word（标记字段）
关于mark word可以参考：对于Synchronized和Volatile的深入理解-CSDN博客
- 作用：存储对象的运行时数据，例如：
- 哈希码（Hash Code）
- 锁状态（无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁）
- GC 分代年龄（age）
- 偏向线程 ID
- 同步锁信息
- 大小：
- 32 位 JVM：32 位
- 64 位 JVM：64 位（可启用压缩指针优化为 32 位）
3.2、Class Pointer（类指针）
- 作用：指向对象所属类的元数据（即
java.lang.Class对象），用于访问类的静态信息（如方法、字段等）。 - 大小：
- 32 位 JVM：32 位
- 64 位 JVM：64 位（可启用压缩指针优化为 32 位）
4、GC 发生的位置
在 JVM 中，内存被划分为不同的区域，不同区域的 GC 行为和触发条件不同：
如下图所示：
4.1、新生代
- 组成：Eden 区 + 两个 Survivor 区（From 和 To）。
- GC 类型：Minor GC（年轻代 GC）。
- 触发条件：
- 当 Eden 区分配对象时，空间不足。
- 新生代中的对象存活时间较短，Minor GC 频繁发生。
4.2、老年代
- 组成：存放长期存活的对象。
- GC 类型：Major GC / Full GC。
- 触发条件：
- 老年代空间不足。
- Minor GC 后对象无法放入 Survivor 区，需要晋升到老年代，但老年代空间不足。
- 元空间（Metaspace）不足（在 Java 8+ 中）。
- 显式调用
System.gc()。
4.3、元空间（Metaspace，Java 8+）
- 作用：存储类的元数据（如类定义、方法信息等）。
- GC 类型：Full GC（当元空间不足时）。
5、对象晋升
而对于<jdk1.8：还有持久代。对于>=jdk1.8: metaspace。
如下图所示：堆结构在分配内存空间的时候：老年代占比2/3，新生代1/3。
而新生代里面eden和from、to区的内存占比分别为8:1:1。
关于 GC（垃圾回收）发生的位置 以及 “15次”的含义，可以从 JVM 的内存结构和 GC 策略两个角度来解释。
5.1、15 次 Minor GC
Minor GC 仅发生在 年轻代（Young Generation），即 Eden 区 + Survivor 区（From + To）。
15次 Minor GC 是对象在 Survivor 区 中存活的次数，不包括老年代的 Full GC。
1. 对象晋升规则
- 对象在 Eden 区分配后，经历 Minor GC：
- 如果存活，则被复制到 Survivor 区。
- 每次 Minor GC 后，对象的
age加 1。 - 当
age达到MaxTenuringThreshold（默认 15）时，对象晋升到老年代。
Survivor1 和 Survivor2 区域之间的对象迁移是通过“标记-复制”算法实现的。
2. 4 位二进制数的硬性限制
age最大只能是 15，因此 15 次 Minor GC 是 JVM 的硬性设计限制。- 如果需要更大的
age，必须扩展 Mark Word 的位数，但会牺牲其他字段的空间。
5.2、动态年龄判定
触发条件：
如果某个年龄段的对象总大小超过 Survivor 区的 50%，即使未达到最大年龄阈值，也会被直接晋升到老年代。
例如：如果年龄为 3 的对象总大小超过 Survivor 区的 50%，则所有年龄 >=3 的对象都会晋升。
5.3、Survivor区存活时间
- 存活时间：对象在 Survivor 区的存活时间取决于其 年龄增长速度 和 晋升条件。
1.最短时间：
如果对象在第一次 Minor GC 后就晋升到老年代（如动态年龄判定触发），则仅存活 1 次 Minor GC。
2.最长时间：
如果对象一直存活到年龄达到 MaxTenuringThreshold，则最多存活 MaxTenuringThreshold 次 Minor GC。
默认情况下，最多存活 15 次 Minor GC。
5.4、修改晋升年龄阈值
可以通过 JVM 参数调整对象晋升的年龄阈值：
-XX:MaxTenuringThreshold=15
- 如果尝试设置
MaxTenuringThreshold=20，JVM 会将其 自动调整为 15，并可能输出警告或忽略该设置。 - 示例 JVM 输出：
[Warning] MaxTenuringThreshold is set to 20, but it will be adjusted to 15 due to 4-bit limit.
6、更长的存活的方案
JVM 会根据 Survivor 区的使用情况动态调整晋升阈值：
如果 Survivor 区使用率低，JVM 会适当提高阈值，让对象多经历几次 Minor GC 再晋升。
如果 Survivor 区使用率高，JVM 会降低阈值，让对象提前晋升到老年代。
可以通过以下方式间接实现：
6.1、扩大 Survivor 区大小
- 参数：
-XX:SurvivorRatio=N- 默认值为 8，表示 Eden 区与 Survivor 区的比例为 8:1:1。
- 例如，
-XX:SurvivorRatio=4会分配更大的 Survivor 区，容纳更多存活对象，从而减少晋升频率。
6.2、G1 垃圾回收器
G1（Garbage-First） 不依赖固定大小的 Survivor 区，而是通过分区（Region）管理内存，对对象晋升的控制更灵活。
可以通过 -XX:G1MixedGCCountTarget 等参数优化晋升策略。
G1通过统计每个Region的垃圾密度（Garbage Fraction），预测回收收益。存活时间长的对象所在的Region若垃圾密度低，回收优先级较低，从而减少不必要的回收操作。
G1在Full GC前会优先回收老年代中垃圾比例高的Region（Garbage-First策略）。
总结：
总结
通过这种设计，JVM 在对象头空间有限的情况下，平衡了性能、内存效率和功能需求。
参考文章：
1、对于Synchronized和Volatile的深入理解-CSDN博客
2、关于对JVM的知识整理_谈谈你对jvm的理解-CSDN博客