Grundlegendes
Im Gegensatz zu C oder C++, die keine Garbage Collection (GC) verwenden, muss in Java dynamisch zugewiesener Speicher nicht explizit freigegeben werden. Nicht mehr referenzierte Objekte werden vom Garbage Collector automatisch erkannt und entfernt. Somit werden einige prominente Fehlerquellen eliminiert, die noch referenziert werden, z. B. das vorzeitige Freigeben von Objekten oder das Vergessen nicht mehr referenzierter Objekte. Jedoch erzeugt das automatisierte Einsammeln durch die Laufzeitumgebung einen gewissen Overhead.
Die Organisation des Heap-Speichers in Java, hier am Beispiel der Sun-Implementierung, lässt sich vereinfacht wie folgt wiedergeben (Abb. 1): Bei der Allokation eines Objekts wird es zunächst in der Young Generation (Nursery) angelegt. "Überlebt" es einige Zeit, wird es noch referenziert, also in die Old Generation (Tenured) "befördert". Da ein Großteil der erzeugten Objekte nicht referenziert ist, kann der Garbage Collector in der Young Generation mit einem schnellen Algorithmus alle nicht referenzierten Objekte entfernen. In der Old Generation, die normalerweise den Hauptbestandteil des Heaps ausmacht, wird ein langsamerer, aber speicherplatzeffizienterer Algorithmus verwendet.
Die Permanent Generation (PermGen) enthält Objekte, die gemäß Vorgabe der Java Virtual Machine vom Garbage Collector verwaltet werden sollen. Das sind z. B. Objekte, die Klassen und Methoden beschreiben, sowie die Klassen und Methoden selbst. Der PermGen gehört nicht zum Heap.
Es existieren also zwei unterschiedliche Varianten der Garbage Collection: Die schnelle GC in der Young Generation, die sehr häufig ausgeführt wird (Minor Collection) und die langsamere GC in der Old Generation (Full Collection). Wichtig ist hierbei, dass sowohl bei den Minor Collections als auch bei den Full Collections eine "stop the world"-Pause eingelegt wird, also alles andere außer der Garbage Collection angehalten und nach Beendigung der Operation fortgesetzt wird. Dies dauert je nach Collector-Art unterschiedlich lange.
Garbage-Collection-Algorithmen
Die folgenden Abschnitte geben einen Überblick über die unterschiedlichen GC-Algorithmen der Young, Old und Permanent Generation. Dabei wird nicht auf alle GC-Algorithmen eingegangen. Der Speicherbereich der Young Generation ist unterteilt in Eden und zwei gleich große Survivor Spaces, oft From-Survivor und To-Survivor genannt. Der Eden Space macht hierbei den Großteil des Speichers aus. Neue Objekte werden im Eden Space generiert. Sind sie zu groß für diesen, werden sie direkt in der Old Generation erzeugt (Abb. 2).
Beginnt der Garbage Collector seine Arbeit, werden alle noch referenzierten Objekte im Eden Space und From-Survivor in den To-Survivor kopiert. Objekte, die sich schon einige Zeit in den Survivor Spaces befanden, werden in die Old Generation verschoben. Anschließend werden der Eden Space und der From-Survivor geleert und die beiden Survivor Spaces "tauschen" die Funktion: Aus dem From-Survivor wird der To-Survivor und umgekehrt. Denn der Großteil aller Objekte im Eden Space wird nicht oder nur kurz referenziert, z. B. Iterator-Objekte oder sonstige Schleifenvariablen. Durch das Kopieren in die Survivor Spaces wird sichergestellt, dass solche Objekte nicht direkt in die Old Generation verschoben werden, nur weil sie zum Zeitpunkt der Garbage Collection noch eine Referenz trugen.
In einem einfachen Beispiel lässt sich der Vorgang wie folgt darstellen (Abb. 3): Das erste Bild zeigt symbolisch die Speicherbelegung der Young Generation. Die Objekte werden durch ihrer Größe entsprechende Blöcke angezeigt. Die grünen Objekte werden momentan referenziert, die roten sind nicht mehr referenziert. Wird nun ein neues Objekt angelegt, ist kein Platz mehr im Eden Space vorhanden. Der Garbage Collector nimmt seine Arbeit auf. Er verschiebt alle Objekte, die noch referenziert sind (hier 1, 3, 5 und 9), in den To-Survivor Space. In diesem Beispiel wird das Objekt 5 – aufgrund der Zeit, die es in den Survivor Spaces "überlebt" hat – in die Old Generation verschoben. Sind mehr Objekte referenziert, als in den To-Survivor Space passen, werden die restlichen direkt in die Old Generation verschoben. Abschließend werden der Eden Space und der From-Survivor Space geleert, also die Objekte 2, 4, 6, 7 und 8 endgültig gelöscht. Nach Abschluss einer Garbage Collection in der Young Generation ist daher der gesamte Speicher bis auf einen der beiden Survivor Spaces leer.
