深入理解 Java 虚拟机之垃圾收集

垃圾收集（Garbage Collection，GC）是 Java 虚拟机（JVM）内存管理的核心机制，主要针对 Java 堆 和 方法区 进行回收。线程私有的程序计数器、虚拟机栈和本地方法栈随线程生命周期结束而自然消失，无需 GC。本文将详细探讨 GC 的判定依据、算法、收集器及内存分配策略。

对象是否需要回收

1. 引用计数算法

原理：对象维护一个引用计数器，被引用时加 1，引用失效时减 1，计数为 0 时可回收。
缺陷：无法解决循环引用问题，例如两个对象互相引用，计数永不为 0。
结论：JVM 不采用此算法。

2. 可达性分析算法

原理：从 GC Roots 开始搜索，可达对象存活，不可达对象死亡。
GC Roots ：
- 虚拟机栈中的引用对象。
- 本地方法栈中的引用对象。
- 方法区中的静态属性和常量引用对象。
应用：JVM 主流采用此算法。

3. 引用类型

Java 提供四种引用类型，影响对象回收：

强引用 ：new 创建的对象，不会回收。
软引用 ：SoftReference，内存不足时回收。
弱引用 ：WeakReference，下次 GC 时回收，常用于缓存（如 WeakHashMap）。
虚引用 ：PhantomReference，仅用于接收回收通知。

4. 方法区回收

目标：废弃常量和无用类。
类卸载条件 ：
1. 所有实例已回收。
2. 类加载器已回收。
3. Class 对象未被引用。
控制：通过 -Xnoclassgc 参数决定是否卸载。

5. finalize() 方法

作用：对象回收前可执行的自救方法。
问题：运行代价高、不确定性大，建议避免使用。

垃圾收集算法

1. 性能指标

停顿时间：GC 导致的程序暂停时长。
吞吐量：用户代码运行时间占比。

2. 标记-清除（Mark-Sweep）

过程：标记需回收对象，然后清除。
缺点：效率低，产生内存碎片。

3. 标记-整理（Mark-Compact）

过程：标记后将存活对象移至一端，清理边界外内存。
优点：解决碎片问题。
缺点：整理开销大。

4. 标记-复制（Copying）

过程：内存分两块，存活对象复制到空闲块，清理已用块。
优点：无碎片。
缺点：内存利用率低（改进为 Eden + 2 Survivor）。

5. 分代收集

原理：根据对象生命周期分代，年轻代用复制算法，老年代用标记-清除或标记-整理。
堆结构 ：
- 新生代：Eden + 2 Survivor，默认比例 8:1:1。
- 老年代：存放长生命周期对象。
- 永久代：JDK 8 前的方法区实现，现为元空间。

垃圾收集器

HotSpot 提供多种垃圾收集器，各有适用场景：

1. 串行收集器（Serial）

特点：单线程，Stop-The-World，适用于 Client 模式。
组合：
- Serial ：年轻代，复制算法，-XX:+UseSerialGC。
- Serial Old：老年代，标记-整理。

2. 并行收集器

目标：高吞吐量，Server 模式默认。
组合：
- Parallel Scavenge ：年轻代，复制算法，-XX:+UseParallelGC。
- Parallel Old ：老年代，标记-整理，-XX:+UseParallelOldGC。
参数：
- -XX:MaxGCPauseMillis：控制停顿时间。
- -XX:GCTimeRatio：设置吞吐量。
- -XX:+UseAdaptiveSizePolicy：自适应调整。

3. 并发标记清除（CMS）

目标：最短停顿时间。
组合：-XX:+UseConcMarkSweepGC，ParNew（年轻代）+ CMS（老年代）+ Serial Old（备用）。
步骤：
1. 初始标记（停顿）。
2. 并发标记。
3. 重新标记（停顿）。
4. 并发清除。
缺点：内存碎片、浮动垃圾，需预留空间。

4. G1 收集器

特点：兼顾吞吐量和停顿时间，JDK 9+ 默认，-XX:+UseG1GC。
分区：堆划分为多个 Region，动态分配角色。
步骤：
1. 初始标记。
2. 并发标记。
3. 最终标记。
4. 筛选回收（优先高价值 Region）。
优点：无碎片，可预测停顿。

收集器对比

收集器	类型	代	算法	目标	场景
Serial	串行	年轻代	复制	低停顿	单核 Client 模式
Serial Old	串行	老年代	标记-整理	低停顿	CMS 备用
ParNew	并行	年轻代	复制	低停顿	与 CMS 配合
Parallel Scavenge	并行	年轻代	复制	高吞吐量	后台运算
Parallel Old	并行	老年代	标记-整理	高吞吐量	后台运算
CMS	并发	老年代	标记-清除	低停顿	Web 服务端
G1	并发	全部	标记-整理+复制	低停顿+吞吐量	服务端应用

内存分配与回收策略

1. Minor GC

触发：Eden 区满。
过程：存活对象复制到 Survivor，年龄达阈值（默认 15，-XX:MaxTenuringThreshold）晋升老年代。

2. Full GC

触发条件 ：
1. System.gc()（建议性，可禁用）。
2. 老年代空间不足。
3. 方法区（元空间）不足。
4. Minor GC 晋升平均大小超老年代剩余空间。
5. 对象大于 Survivor 和老年代可用空间。

3. 分配策略

Eden 优先：新对象分配在 Eden。
大对象直入老年代 ：-XX:PretenureSizeThreshold。
长期存活晋升：年龄超阈值。
动态年龄判定：Survivor 半满时提前晋升。
空间担保：老年代为 Minor GC 提供担保。

结语

JVM 的垃圾收集机制通过可达性分析、分代收集和多样化的收集器，高效管理内存。串行适合小型应用，并行追求吞吐量，CMS 和 G1 优化停顿时间。理解 GC 原理和策略，有助于调优程序性能，避免内存溢出等问题。