Java虚拟机之垃圾收集（一）

原理：

从 GC Roots 出发，遍历对象引用链。若对象无法被 GC Roots 关联，则判定为可回收。
GC Roots 对象类型：
- 虚拟机栈中的局部变量（如方法参数、局部变量）。
- 方法区中静态变量引用的对象。
- 方法区中常量引用的对象（如字符串常量池）。
- 本地方法栈中 JNI 引用的对象（Native 方法）。
- 同步锁持有的对象（synchronized 锁对象）。
- Java 虚拟机内部对象（如系统类加载器、异常对象）。

3. 对象的"缓刑"机制

finalize() 方法 ：

若对象重写 finalize() 且未被调用过，JVM 会将其放入 F-Queue，由 Finalizer 线程触发该方法。
逃脱机会 ：

在 finalize() 中重新建立与 GC Roots 的引用链，可避免被回收（仅一次）。

java 复制代码

public class RescueObject {
    public static RescueObject hook;

    @Override
    protected void finalize() throws Throwable {
        super.finalize();
        hook = this; // 在 finalize 中自我拯救
    }
}

二、引用类型与回收策略

Java 提供 四种引用类型，控制对象生命周期与回收优先级：

引用类型	特点	回收时机	典型场景
强引用	`Object obj = new Object()`，默认引用类型	对象不可达时回收	普通对象创建
软引用	`SoftReference<Object> ref = new SoftReference<>(obj)`	内存不足时回收（OOM 前触发）	缓存（如图片缓存）
弱引用	`WeakReference<Object> ref = new WeakReference<>(obj)`	下一次 GC 时回收	临时缓存（如 WeakHashMap）
虚引用	`PhantomReference<Object> ref = new PhantomReference<>(obj, queue)`	随时可能回收，需配合 ReferenceQueue 使用	堆外内存回收监听（如 DirectByteBuffer）

三、何时触发垃圾回收？

GC 触发时机由 内存区域分配策略 和 JVM 配置参数 共同决定：

1. 分代回收策略

区域	GC 类型	触发条件
新生代	Minor GC	Eden 区空间不足
老年代	Major GC	老年代空间不足（通常伴随 Full GC）
整堆	Full GC	方法区不足、老年代空间不足、手动调用 `System.gc()`

2. 手动触发与注意事项

System.gc() ：建议 JVM 触发 Full GC（不保证立即执行）。
风险：频繁 Full GC 会导致应用停顿（Stop-The-World），需谨慎使用。

四、垃圾回收算法与实现

1. 基础算法对比

算法	步骤	优点	缺点	适用场景
标记-清除	标记存活对象 → 清除未标记对象	简单	内存碎片化	老年代（CMS）
复制算法	存活对象复制到新区域 → 清空原区域	无碎片，高效	内存利用率 50%	新生代（Survivor）
标记-整理	标记存活对象 → 整理到内存一端	无碎片化	整理耗时	老年代（Serial Old）

2. 分代收集理论

弱分代假说：绝大多数对象朝生夕灭（新生代）。
强分代假说：熬过多次 GC 的对象难以消亡（老年代）。
分代设计：
- 新生代：使用复制算法（Eden + Survivor）。
- 老年代：使用标记-清除或标记-整理算法。

3. 新生代回收：Apple式复制算法

内存划分：
- Eden : Survivor1 : Survivor2 = 8:1:1（默认）。
回收流程：
1. 新对象分配至 Eden 区。
2. Eden 满时触发 Minor GC，存活对象复制到 Survivor1。
3. 下次 Minor GC 时，Eden 和 Survivor1 存活对象复制到 Survivor2，并清空原区域。
4. 对象年龄达到阈值（默认 15）后晋升老年代。

五、主流垃圾收集器详解

1. CMS 收集器（低停顿优先）

目标：最小化应用停顿时间。
算法：标记-清除。
工作流程：
1. 初始标记（STW）：标记 GC Roots 直接关联对象。
2. 并发标记：遍历对象图（与用户线程并发）。
3. 重新标记（STW）：修正并发标记期间变动的引用。
4. 并发清除：清理垃圾（与用户线程并发）。
缺点：
- 内存碎片化（需定期 Full GC 整理）。
- 并发阶段占用 CPU 资源。

2. G1 收集器（平衡吞吐与延迟）

目标：可预测的停顿时间（如 200ms 内）。
内存布局：将堆划分为多个 Region（默认 2048 个）。
工作流程：
1. 初始标记（STW）：标记 GC Roots 直接关联对象。
2. 并发标记：遍历对象图（与用户线程并发）。
3. 最终标记（STW）：处理剩余引用变更。
4. 筛选回收（STW）：选择性价比高的 Region 回收。
优势：
- 支持大内存（TB 级）。
- 通过 Region 划分减少碎片化。

3. 收集器对比

收集器	算法	区域	特点	适用场景
CMS	标记-清除	老年代	低停顿，但碎片化严重	响应敏感型应用
G1	标记-整理	全堆	可预测停顿，兼顾吞吐与延迟	大内存、低延迟应用

六、调优建议与工具推荐

1. 参数配置示例

bash 复制代码

# 使用 G1 收集器，堆内存 4G，目标停顿 200ms
java -Xmx4G -Xms4G -XX:+UseG1GC -XX:MaxGCPauseMillis=200 -jar app.jar

# 启用 CMS 收集器
-XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:+CMSIncrementalMode

2. 常见问题排查

频繁 Full GC：
- 检查内存泄漏（如静态集合未清理）。
- 调整新生代与老年代比例（-XX:NewRatio）。
长时间 STW：
- 切换低延迟收集器（如 G1/ZGC）。
- 减少堆内存大小（权衡吞吐与停顿）。

3. 工具推荐

监控工具：VisualVM、JConsole、Prometheus + Grafana。
日志分析：GCeasy、GCViewer。
诊断工具：Arthas、MAT（Memory Analyzer Tool）。

七、总结

生死判定 ：可达性分析是核心，finalize() 是最后的逃生机会。
引用分级：软、弱引用优化内存敏感场景。
算法选择：分代理论平衡效率与资源利用率。
收集器选型：CMS 适合低延迟，G1 适合大内存与可预测停顿。

核心原则：结合业务需求与监控数据动态调优，避免盲目配置。