JVM 整理(五) 垃圾回收(GC)

Java相比C/C++的一大优势就是自动内存管理，也就是垃圾回收（Garbage Collection，简称GC）。GC机制让开发者无需手动释放对象内存，大大减少了内存泄漏和悬垂指针的风险。然而，自动回收并不意味着我们可以高枕无忧------理解GC的工作原理，是优化Java应用性能、排查内存问题的必备技能。

本文将系统介绍JVM垃圾回收的方方面面，包括内存管理、对象生死判定、垃圾回收算法、分代回收机制、四种引用类型以及主流垃圾收集器，最后还会简要介绍G1中的三色标记算法。

1. 内存管理概述

1.1 从C/C++的手动管理说起

在C/C++中，程序员必须手动分配和释放内存：

Test* test = new Test();
delete test;  // 必须手动释放

如果忘记释放不再使用的对象，就会造成内存泄漏；如果多次释放，则可能导致程序崩溃。这种手动管理方式虽然灵活，但极易出错。

1.2 Java的自动垃圾回收

Java引入了自动垃圾回收机制，由JVM负责回收不再使用的对象。GC主要针对堆（Heap）进行回收，因为堆中存放了绝大部分对象实例。方法区（元空间）也会回收，但条件苛刻且很少发生。而线程私有的程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈随着线程的消亡自然释放，无需GC介入。

2. 方法区的垃圾回收

方法区（JDK 8后为元空间）主要存储类元数据、常量、静态变量等。回收条件比堆严格得多，需要同时满足以下三个条件：

1. 该类所有的实例都已被回收（堆中不存在任何该类的实例）。

2. 加载该类的ClassLoader已经被回收。

3. 该类对应的java.lang.Class对象没有任何地方被引用。

由于条件苛刻，方法区的回收通常发生在Full GC时，且回收效率较低。

3. 判定对象已死：引用计数法与可达性分析

GC要回收对象，首先需要判断哪些对象已经"死亡"（不再被使用）。

3.1 引用计数法

• 原理：每个对象维护一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器+1；引用失效时，计数器-1。计数器为0的对象即可回收。

• 优点：实现简单，判定高效。

• 缺点：难以处理循环引用（如A引用B，B引用A，外部再无引用时两者计数器均不为0，无法回收）。主流Java虚拟机已摒弃此法。

3.2 可达性分析算法

• 原理 ：以一系列称为GC Roots 的对象为起点，从这些根向下搜索，走过的路径称为引用链。当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连（即不可达），则证明此对象已死亡。

• GC Roots包括：

  • 虚拟机栈（栈帧中的局部变量表）中引用的对象。

  • 方法区中静态属性引用的对象。

  • 方法区中常量引用的对象。

  • 本地方法栈中JNI引用的对象。

  • 活跃线程（Thread对象）等。

可达性分析解决了循环引用问题，是Java、C#等现代语言的选择。

4. 垃圾回收算法

确定了哪些对象可回收后，GC需要执行清理。以下是三种基础算法。

4.1 标记-清除算法（Mark-Sweep）

• 步骤：

  1. 标记：从GC Roots出发，标记所有可达对象。

  2. 清除：遍历堆，将未标记的对象回收。

• 优点：简单，不需要移动对象。

• 缺点：

  • 效率问题：标记和清除都需要遍历所有对象，效率较低。

  • 空间问题：产生大量内存碎片，导致后续分配大对象困难。

4.2 复制算法（Copying）

• 原理：将内存分为两块（如From和To），每次只使用一块。当这块内存用完时，将存活对象复制到另一块，然后一次性清理原块。

• 优点：实现简单，不会产生碎片。

• 缺点：内存利用率只有一半；如果对象存活率高，复制开销大。

• 应用：新生代采用复制算法，因为对象"朝生夕死"，存活率低。

4.3 标记-整理算法（Mark-Compact）

• 步骤：

  1. 标记所有存活对象。

  2. 将存活对象向一端移动，然后清理边界以外的内存。

• 优点：避免碎片，内存利用率高。

• 缺点：移动对象需要更新引用，开销较大。

• 应用：老年代常用此算法（或与标记-清除混合使用）。

4.4 分代收集算法（Generational Collection）

当前商业虚拟机的垃圾收集都采用分代收集，即根据对象存活周期将堆划分为新生代和老年代，分别采用不同算法。

• 新生代 ：对象存活率低，使用复制算法，只需复制少量存活对象，效率高。

• 老年代 ：对象存活率高，使用标记-清除 或标记-整理算法，避免复制开销。

5. 四种引用类型

Java的引用强度依次递减，不同引用类型决定了对象在GC时的命运。

5.1 强引用（Strong Reference）

• 特点 ：最普通的引用，如Object obj = new Object()。只要强引用存在，GC永远不会回收被引用的对象。

• 示例 ：User user = new User();

5.2 软引用（Soft Reference）

• 特点 ：内存不足时才会回收。适合实现缓存，如SoftReference<User>。

• 应用：本地缓存、图片缓存等。

5.3 弱引用（Weak Reference）

• 特点：只要发生GC，无论内存是否充足，都会被回收。适合实现规范化映射（如WeakHashMap）。

• 应用：ThreadLocal中的Entry就是弱引用。

5.4 虚引用（Phantom Reference）

• 特点：最弱的引用，无法通过它获取对象实例。唯一目的是在对象被回收时收到一个系统通知（通过引用队列）。

• 应用：对象回收跟踪、堆外内存释放。

6. 垃圾收集器（GC Collectors）

垃圾收集器是垃圾回收算法的具体实现。不同收集器适用于不同场景，以下是HotSpot虚拟机中的主流收集器。

6.1 Serial / Serial Old

• 特点：单线程收集，进行垃圾回收时必须暂停所有用户线程（Stop The World，STW）。简单高效，适合客户端模式或单核环境。

• 新生代：Serial（复制算法）

• 老年代：Serial Old（标记-整理）

6.2 ParNew

• 特点：Serial的多线程版本，与CMS配合使用。

• 新生代：并行复制；老年代仍串行（或配合CMS）。

6.3 Parallel Scavenge / Parallel Old

• 特点 ：关注吞吐量（CPU用于用户代码的时间与总时间的比值）。可动态调整参数，适合后台计算型应用。

• 新生代：Parallel Scavenge（复制算法）

• 老年代：Parallel Old（标记-整理）

6.4 CMS（Concurrent Mark Sweep）

• 特点 ：以最短回收停顿时间为目标，适用于互联网服务端。基于"标记-清除"，过程分为：

  1. 初始标记（STW，标记GC Roots直接关联对象）

  2. 并发标记（与用户线程并发）

  3. 重新标记（STW，修正并发标记期间的变动）

  4. 并发清除

• 优点：并发、低停顿。

• 缺点：产生碎片、占用CPU资源、无法处理浮动垃圾。

• JDK 9后标记为废弃，JDK 14正式移除。

6.5 G1（Garbage First）

• 特点 ：区域化、分代化、可预测停顿。将堆划分为多个大小相等的Region（默认2048个），每个Region可扮演Eden、Survivor、Old或Humongous（大对象）。不再物理分代，而是逻辑分代。

• 工作步骤：

  1. 初始标记（STW）

  2. 并发标记（与用户线程并发）

  3. 最终标记（STW）

  4. 筛选回收（STW，根据Region回收价值和成本排序，优先回收收益高的Region）

• 优点 ：避免全堆扫描，使用Remembered Set管理跨Region引用；可预测停顿时间（通过-XX:MaxGCPauseMillis指定）；不会产生碎片（采用复制算法）。

• 默认：JDK 9+默认收集器。

6.5.1 三色标记算法（G1并发标记的核心）

三色标记是并发标记的基础，用于在不暂停用户线程的情况下标记存活对象。

• 白色：尚未访问的对象。

• 灰色：已被访问，但其引用的对象尚未全部访问。

• 黑色：已被访问且其所有引用都已访问。

问题：并发标记期间用户线程可能修改引用关系，导致两种异常：

• 浮动垃圾：本应回收的对象被误标为存活，留待下次GC处理。

• 漏标（错杀）：存活对象被误标为垃圾，导致程序错误。

解决方案：

• CMS 使用增量更新：当黑色对象新增指向白色对象的引用时，记录该黑色对象，在重新标记阶段重新扫描。

• G1 使用原始快照（SATB）：当灰色对象要删除指向白色对象的引用时，在写屏障中记录该引用，保证该白色对象被当作存活（即使实际已死，也当作浮动垃圾）。

6.6 ZGC

• 特点 ：JDK 11引入，专注于极低延迟（几毫秒内完成GC），可处理TB级堆。基于染色指针、读屏障等技术，几乎全部并发，STW时间极短。

• 适用场景：对延迟极度敏感的超大内存应用。

7. GC触发机制与类型

• Minor GC / Young GC：新生代空间（Eden）不足时触发。频率高，速度快。

• Major GC / Old GC：老年代空间不足时触发。通常比Minor GC慢10倍以上。

• Full GC：回收整个堆和方法区。触发条件包括：

  • 老年代空间不足。

  • 方法区空间不足。

  • 调用System.gc()（建议，不一定立即执行）。

  • 大对象分配失败等。

8. 垃圾收集器选择指南

收集器组合	适用场景
Serial + Serial Old	单核、客户端、小内存应用
Parallel Scavenge + Parallel Old	高吞吐量、后台计算型应用
ParNew + CMS	低延迟、响应优先的应用（JDK 8及以前）
G1	平衡吞吐量与延迟，大内存（6GB+），JDK 9+默认
ZGC	极低延迟、超大内存（数百GB以上）

注意：没有最好的收集器，只有最适合的。建议在实际环境中进行压测，根据吞吐量、停顿时间、内存占用等指标选择。

9. 总结

JVM垃圾回收是一个复杂而精妙的系统，它通过可达性分析判定对象生死，采用分代收集和多种算法平衡效率与内存利用率，并提供多种收集器满足不同场景需求。理解GC原理有助于我们写出更高效的代码，合理设置JVM参数，以及在遇到内存溢出、频繁GC时快速定位问题。

在实际开发中，我们应当：

• 注意对象的生命周期，避免内存泄漏。

• 合理使用软引用、弱引用实现缓存。

• 监控GC日志，及时发现异常。

• 根据应用特点选择并调优垃圾收集器。