在第 2 章中，我们讨论了内存中“引用（reference）”与“对象（object）”的区别。引用与其所指向的对象密切相关。我们发现，Java 的“按值传递（call-by-value）”机制再加上可变对象，可能引发一种名为“逃逸引用（escaping references）”的安全问题。借助示例代码与示意图，我们分析了这些问题，并展示了如何通过“防御性拷贝（defensive copying）”来解决。
我们已经知道，原始类型（primitive）与引用既可能存在于栈上，也可能存在于堆上；而对象只会存在于**堆（heap）中。现在，我们准备更近一步地审视堆，为下一章的垃圾回收（Garbage Collection，GC）**做铺垫。本章将涵盖以下主题：
- 了解堆上的不同代（generation）
- 学习各个空间的使用方式
探索堆上的不同代
堆空间由两个不同的内存区域构成：
- **年轻代（young generation）**空间
- **老年代（old generation / tenured）**空间
虽然本章不会深入 GC 的具体流程，但我们需要先说明什么是存活对象（live object） 。存活对象指的是**从 GC Roots 可达（reachable）**的对象。
垃圾回收根（GC roots）
GC Root 是一种特殊的存活对象，因此它不会被回收。所有从 GC Roots 可达的对象也都被视为存活对象，因此同样不会被回收。GC Roots 在 GC 过程中充当起始节点：从这些根开始，标记所有可达对象为存活。常见的 GC Roots 包括：
- 栈上的本地变量（local variables）
- 所有活跃的 Java 线程
- 静态变量（因为可以通过其类被引用）
- JNI 引用：由 Java Native Interface 调用中的本地代码创建的对象。此类 GC Root 较为特殊，因为 JVM 无法得知这些对象在本地代码中是否仍被引用。
下面来看这些空间在内存中的示意（见图 3.1）：
图 3.1 – 堆的各代（generations）
到这里，我们先给出简要定义，便于随后讨论各空间如何被使用：
-
年轻代（Young Generation）空间 —— 有时也称为 nursery / new space，包含两个子区域：Eden（伊甸区）与Survivor（幸存者）区。二者职责不同，但共同目标是提升内存管理效率，具体如下：
- Eden 区：新对象首先分配在 Eden。当 Eden 被填满且无法再为新对象分配空间时，就会触发一次年轻代（Minor）GC。
- Survivor 区：有两个等大区域，通常记为 S0 与 S1。Minor GC 会交替使用这两个区域，具体机制稍后会进一步介绍。
-
老年代（Old Generation / Tenured）空间 —— 存放生命周期较长的对象。也就是说，在年轻代中经历了一定次数 GC 仍存活的对象会被**提升（promote）**到老年代。当老年代空间被填满时，将触发一次“Major GC（老年代 GC）”。
至此，我们已对各个空间有了整体认识。接下来，我们将进一步说明这些空间的具体用法。
学习各空间的使用方式
要理解这些不同内存空间如何被使用，我们分两个阶段来说明。首先，介绍 Minor GC（年轻代回收） 算法如何使用这些空间；随后，再用一个示例展示该算法的实际运行过程。
了解 Minor GC 算法
先从 Minor GC 算法开始。图 3.2 给出了 Minor GC 过程的高层伪代码：
图 3.2 – 年轻代垃圾回收算法的伪代码
我们用一个 Given-When-Then 的场景来理解上述流程：
Given： 初始时将 S0 作为目标（target）幸存区，将 S1 作为源（source）幸存区。
When： 发生一次 Minor GC。也就是说，当 JVM 想要在 Eden 分配一个对象，但 Eden 没有足够空间时。
Then：
- 将 Eden 中所有存活对象复制到 S0 幸存区；这些对象的**年龄（age）**设为 1，因为它们刚刚经历了第一次 GC 并幸存。
- 扫描 S1，将其中年龄达到阈值（tenuring threshold）的存活对象复制到老年代（Old/Tenured）中，即晋升（tenure） 。这意味着它们是更长寿的对象，应放入老年代，有助于后续 Minor GC 更高效（避免对这些对象反复检查）。
- 将 S1 中其余未晋升的存活对象复制到 S0，并将其年龄加 1（又经历了一次 GC）。
注意：晋升阈值可通过 JVM 参数 -XX:MaxTenuringThreshold 配置。该参数控制对象在幸存区中经历多少次 GC 后晋升至老年代。但要小心，超过 15 的值表示对象永不晋升，这会让幸存区被老对象长期占满。
图 3.3 展示了上述过程：
图 3.3 – 以 S0 为目标幸存区的 Minor GC
小结：
- 将 Eden 的存活对象复制到 S0（年龄设为 1）
- 将 S1 中“老”的存活对象复制到老年代
- 将 S1 中“年轻”的存活对象复制到 S0（年龄 +1）
现在 Eden 与 S1 的存活对象都已复制（“保护”）到 S0，因此 Eden 与 S1 可以被回收。
当 Minor GC 再次运行时，由于上次的目标幸存区是 S0，这次的目标幸存区就变为 S1。因此：
- 所有 Eden 的存活对象复制到 S1，年龄设为 1；
- 此时 S0 成为源幸存区；GC 会检查 S0，将“老”的对象晋升到老年代，将“年轻”的对象复制到 S1。
图 3.4 展示了这一过程：
图 3.4 – 以 S1 为目标幸存区的 Minor GC
小结：
- 将 Eden 的存活对象复制到 S1（年龄设为 1）
- 将 S0 中“老”的存活对象复制到老年代
- 将 S0 中“年轻”的存活对象复制到 S1（年龄 +1）
完成后，Eden 与 S0 的对象已被复制，Eden 与 S0 可被回收。
用示例演示 Minor GC 的运行
图 3.5 展示了第一次 Minor GC 运行之前的内存状态：
图 3.5 – 第 1 次 Minor GC 前的初始堆状态
在该图中，对象 H 代表 JVM 试图在 Eden 中分配的新对象。Eden 的情况如下：
- 红色对象：从 GC Roots 不可达，可被回收；
- 绿色对象：存活对象（是 GC Roots 或可经由 GC Roots 到达），不可回收；
- 白色空洞：Eden 中的空闲碎片。若连续空闲空间足够，则对象可直接放入 Eden 并返回其引用；若因碎片化导致没有足够的连续空间，就会触发一次 Minor GC。
幸存区状况：
- S0：初始为空；假定 JVM 初始将其作为目标幸存区；
- S1：初始也为空；既然 S0 为目标，S1 就是源幸存区（第一次由于 S1 为空，这一步没有实际影响）。
老年代存放长寿对象——即在年轻代经历了若干次 Minor GC 仍存活的对象。该“若干次”的阈值可通过 -XX:MaxTenuringThreshold 自定义。
如图 3.5 所示，JVM 需要分配对象 H，但 Eden 空间不足，触发 Minor GC。Eden 中对象 A、D、G 可被回收；对象 B、C、E、F 复制到 S0。随后回收 Eden，并在 Eden 中分配 H。
图 3.6 展示了第一次 Minor GC 后的堆：
图 3.6 – 第 1 次 Minor GC 后的堆状态
在该图中，对象 H 已分配到 Eden，而 B、C、E、F 位于 S0。注意：S0 中这些对象的年龄为 1（它们第一次在 Minor GC 中存活）。
图 3.7 展示了第二次 Minor GC 前的堆：
图 3.7 – 第 2 次 Minor GC 前的堆状态
此时 JVM 想要分配对象 N，但 Eden 无足够空间，触发第二次 Minor GC。Eden 中 H、L、M 可回收，I、J、K 存活。幸存区 S0 中，对象 B 现在可回收，而 C、E、F 存活。
图 3.8 展示了第二次 Minor GC 后的堆：
图 3.8 – 第 2 次 Minor GC 后的堆状态
在该图中，S1 现在成为目标幸存区，因此 S0 成为源。GC 将 S0 中存活对象 C、E、F 复制到 S1，并将其年龄从 1 增加到 2；随后回收 S0。
接着，将 Eden 中的 I、J、K 复制到 S1，其年龄设为 1（它们第一次在 Minor GC 中幸存）。随后回收 Eden，并分配对象 N。
最后我们展示对象晋升到老年代的情形，如图 3.9：
图 3.9 – 对象晋升到老年代
图 3.9 表示在经历 15 次 Minor GC 后的堆状态。对象 E、F 的年龄达到 15（默认阈值为 15），因此晋升到老年代。下一次 Minor GC 时，它们将不再参与年轻代检查，使 GC 更高效。
本轮触发 Minor GC 的是对象 X；这一轮中 S1 是源，S0 是目标幸存区。对象 J、P、S 仍然存活，从 S1 复制到 S0，其年龄分别变为 14、8、3。
在结束本章前，再提一些相关 JVM 参数：
-Xms与-Xmx：分别指定堆的最小/最大大小。-XX:NewSize与-XX:MaxNewSize：分别指定年轻代的最小/最大大小。-XX:SurvivorRatio：指定Eden 与单个幸存区的相对大小。例如-XX:SurvivorRatio=6表示 Eden:单个幸存区 = 6:1，因此每个幸存区为 Eden 的 1/6，进而年轻代总大小为 Eden + 2×Survivor，即每个幸存区约占年轻代的 1/8（不是 1/7，因为有两个幸存区）。-XX:NewRatio：指定新生代与老年代的相对大小。例如-XX:NewRatio=3表示 新生代:老年代 = 1:3，即新生代占25%堆空间，老年代占75% 。-XX:PretenureSizeThreshold：若对象大小超过该阈值，对象将直接在老年代分配（立即“晋升”）。默认 0 表示无对象会直接分配到老年代。
一般建议：让年轻代占总堆的 25%~33% 。这样老年代更大，更合适，因为Full GC 的代价远高于 Minor GC。
本章到此结束，下面做个回顾。
总结
本章我们聚焦于 堆空间（heap） 。首先考察了堆上的不同“代”，即 新生代（young generation） 和 老年代（tenured/old generation） 。
新生代被划分为两个区域：Eden 与 幸存区（survivor spaces） 。Eden 用于分配新对象；幸存区由两个等大小的空间 S0 与 S1 组成。Minor GC（年轻代回收） 在回收内存时会使用这两个幸存区。当 Eden 中没有足够的连续空间来分配新对象时，就会触发 Minor GC。我们通过伪代码与示意图讲解了 Minor GC 如何利用这些“代”和“空间”，随后又用包含多种情形的示例巩固了相关概念。
老年代 用于存放存活时间更长的对象。我们看到：当对象经历多次 GC 仍然存活时，会被晋升到老年代，从而让后续的 Minor GC 更高效。最后，我们还回顾了若干相关的 JVM 参数。
至此，我们已经理解了堆的结构，并对 Minor GC 有了宏观认识。下一章将对 垃圾回收（GC） 进行深入剖析。
