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 ：
- 所有实例已回收。
- 类加载器已回收。
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。
- Serial ：年轻代，复制算法，
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。
- Parallel Scavenge ：年轻代，复制算法，
- 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 ：
- 初始标记（停顿）。
- 并发标记。
- 重新标记（停顿）。
- 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 ：
- 初始标记。
- 并发标记。
- 最终标记。
- 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 ：
System.gc()（建议性，可禁用）。- 老年代空间不足。
- 方法区（元空间）不足。
- Minor GC 晋升平均大小超老年代剩余空间。
- 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。