深入理解 JVM 堆内存：分代模型与对象晋升机制

在上一篇关于 JVM 运行时内存结构的探讨中，我们了解了内存的整体布局。今天，我们要拿起放大镜，深入挖掘 Java 堆 (Java Heap) 内部的运作机制。

很多开发者会有这样的疑问：

"为什么堆要分新生代和老年代？"

"对象在内存里是怎么'搬家'的？"

"为什么我的系统频繁发生 Full GC？"

理解分代模型 和对象晋升机制，是解答这些问题、进行 JVM 调优以及编写高性能 Java 代码的关键。

为什么要分代？(The "Why")

JVM 的堆内存设计并非凭空想象，而是基于一个著名的统计学规律------弱分代假说 (Weak Generational Hypothesis)。

该假说包含两个核心观点：

绝大多数对象都是朝生夕死的。 (Most objects die young)
熬过越多次垃圾收集的对象，越难被回收。 (The longer an object lives, the more likely it is to continue living)

基于此，JVM 将堆划分为新生代 (Young Generation) 和 老年代 (Old Generation)。

新生代 ：存放新生的对象，GC 发生频繁，使用复制算法，追求极快的回收速度。
老年代 ：存放长期存活的对象，GC 发生较少，使用标记-清除 或标记-整理算法，追求空间的利用率。

堆内存的物理结构 (The Structure)

在经典的 HotSpot 虚拟机中，堆内存的默认结构如下：

新生代 (Young Generation) - 1/3 堆空间

新生代内部又细分为三个区：

Eden 区 (伊甸园)：80% 的空间。几乎所有新对象都在这里诞生（大对象除外）。
Survivor 区 (幸存者区) ：两个大小相等的区域，分别称为 S0 (From) 和 S1 (To)。各占 10%。

默认比例 -> Eden : S0 : S1 = 8 : 1 : 1

老年代 (Old Generation) - 2/3 堆空间

存放生命周期长的对象。这里通常也是 Full GC (Major GC) 发生的重灾区。

对象的奇幻漂流：从出生到晋升 (The Lifecycle)

让我们跟踪一个对象的生命周期，看看它是如何在内存中流转的。

第一阶段：Eden 区的诞生与 TLAB

当你 new Object() 时，对象首先尝试在 Eden 区 分配。

TLAB 优化 ：为了避免多线程并发分配内存时的锁竞争，JVM 默认会为每个线程在 Eden 区预先分配一小块私有内存，称为 TLAB (Thread Local Allocation Buffer)。对象优先在 TLAB 中分配，效率极高。

第二阶段：Minor GC (Young GC) 的洗礼

当 Eden 区满了，JVM 会触发 Minor GC。

标记：GC 扫描 Eden 区和正在使用的 Survivor 区 (From)，标记出所有存活的对象。
复制：将存活的对象复制到空的 Survivor 区 (To)。
清空：直接清空 Eden 和 From 区。
交换：From 和 To 身份互换。

注意：每次 Minor GC 后，幸存对象的年龄 (Age) 加 1。

第三阶段：晋升老年代 (Promotion)

对象不会永远留在新生代。满足以下任一条件，它们就会拿到"长期居留证"，晋升到老年代。

1. 长期存活的对象 (Age Threshold)

这是最基础的规则。如果对象在 Survivor 区中熬过了足够多次的 Minor GC，它就会被晋升。

阈值：默认为 15 岁。
参数：可通过 -XX:MaxTenuringThreshold 调整。
原理：对象头 (Object Header) 中有 4 bit 用于存储年龄，最大值为 1111 (二进制) = 15。

2. 大对象直接进入老年代 (Pretenure Size Threshold)

如果一个对象非常大（比如很长的字符串或大数组），Eden 区放不下，或者为了避免在 Survivor 区之间频繁复制产生巨大开销，JVM 会让它直接在老年代分配。

参数：-XX:PretenureSizeThreshold (只对 Serial 和 ParNew 收集器有效)。

3. 动态对象年龄判定 (Dynamic Age Judgment)

这是一个常见的面试坑点！JVM 并不强制要求对象必须达到 15 岁才能晋升。

规则：如果在 Survivor 空间中，相同年龄所有对象的大小的总和 > Survivor 空间的一半 （TargetSurvivorRatio），那么年龄大于或等于该年龄的对象就可以直接进入老年代，无需等到 MaxTenuringThreshold。

例子：如果 Survivor 区里有一堆 3 岁的对象，占了 55% 的空间，那么所有 3 岁及以上的对象都会被送入老年代。

4. 空间分配担保 (Handle Promotion Failure)

在发生 Minor GC 之前，JVM 会检查老年代最大可用的连续空间是否大于新生代所有对象的总空间。

如果不成立，说明这次 Minor GC 有风险（万一所有对象都存活，Survivor 放不下，老年代也放不下怎么办？）。
此时 JVM 会查看 HandlePromotionFailure 设置，决定是强行冒险进行 Minor GC，还是直接触发 Full GC。

GC 的分类与影响

理解了分代，就能区分不同类型的 GC：

Minor GC / Young GC：
- 只回收新生代。
- 非常频繁，速度快。
- STW (Stop-The-World) 时间短。
Major GC / Old GC：
- 只回收老年代（CMS 等收集器会有此阶段）。
- 通常比 Minor GC 慢 10 倍以上。
Full GC：
- 回收整个堆（新生代 + 老年代）和方法区（元空间）。
- STW 时间最长，是系统停顿的主要原因，调优的目标就是减少 Full GC 的频率。

总结与调优建议

Java 堆的分代设计是为了在 吞吐量 和延迟之间找到平衡。

对象优先在 Eden 分配：利用 TLAB 提高效率。
大对象直接进老年代：避免新生代 GC 的复制开销，但要注意大对象导致的 Full GC。
长期存活进老年代：区分短命和长命对象。
动态年龄判定：应对突发的内存占用波动。

希望这篇博客能帮你彻底搞懂 Java 堆的分代与晋升机制！如果你觉得有收获，欢迎分享给你的技术伙伴。