Коротко: generational GC делит кучу на поколения, собирает молодое поколение часто и быстро (minor GC), а старое — редко (major/old GC). Это опирается на эмпирическое наблюдение, что большая часть объектов "умирает молодой" — поэтому частые локальные сборки освобождают много памяти с малыми затратами.
Как это работает (схема):
- Деление на поколения: например, молодое (Young) и старое (Old), иногда промежуточное (Tenured/Perm/Metaspace) — всего обычно $2$–$3$ поколения.
- Быстрое выделение: новый объект пишется простым bump-pointer — операция за константное время.
- Minor GC (часто на Young): используется копирующий сборщик или подсегментация — живые объекты копируются в другую полупространство или в survivor-буфер; объекты, пережившие ряд сборок, продвигаются (promote) в Old.
- Major/Full GC (редко на Old): обходят более крупный набор объектов; могут применяться маркировка/сжатие/копирование в зависимости от алгоритма.
- Барьеры записи и remembered sets: чтобы не сканировать весь Old при minor GC, JVM поддерживает карты «карточек» (card table) и write-barrier, чтобы отслеживать ссылки Old→Young; это позволяет при minor GC сканировать лишь корни + помеченные карты.
- Компактизация: копирующие алгоритмы естественно компактиируют память, уменьшая фрагментацию; маркировочно-компактирующие делают то же для Old.
Почему это эффективно:
- Закон слабой перегрузки объектов: значительная доля объектов уничтожается быстро → minor GC освобождает много памяти за малую работу, потому что стоимость копирования пропорциональна числу живых объектов, а не объёму кучи.
- Частые маленькие паузы вместо редких очень больших: уменьшение времени простоя приложения.
- Алгоритмическая сложность обычно пропорциональна числу живых объектов $L$: пауза ≈ $\mathcal{O}(L)$, а не $\mathcal{O}(H)$ где $H$ — весь размер кучи.
- Быстрая аллокация (bump-pointer) даёт низкую накладную на создание объектов.
- Меньше фрагментации благодаря копированию/компактизации → эффективное использование памяти и кэшов.
Ограничения и оптимизации:
- Долговечные объекты часто живут в Old, там сборки дороже; нужны стратегии продвижения и настройки порогов.
- Для максимальной отзывчивости используют concurrent или pauseless алгоритмы (G1, ZGC, Shenandoah), но идеология поколений остаётся полезной.
- Тонкая настройка размеров поколений и порогов может улучшить производительность для конкретного приложения.
Итог: generational GC эффективен, потому что использует свойство большинства программ — объекты рождаются и быстро умирают — и строит оптимизацию вокруг частых дешёвых сборок малого пространства и редких дорогих сборок большого.