JVM知识梳理(2)

JVM知识梳理(2)

作者：没有四次元口袋的蓝胖

日期：2026-07-31

标签：Java, JVM, GC算法, CMS, G1

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JVM 垃圾回收是面试重点。核心掌握：如何判断对象可回收、四种 GC 算法、CMS 和 G1 回收器的区别。

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一、如何判断对象可以回收？

1.1 引用计数法

每个对象维护一个引用计数器，被引用时 +1，引用失效时 -1，为 0 时可回收。

Object obj = new Object(); // 引用计数 = 1
Object ref = obj;          // 引用计数 = 2
ref = null;                // 引用计数 = 1
obj = null;                // 引用计数 = 0 → 可回收

问题：循环引用导致计数永远不为 0。

Object a = new Object();
Object b = new Object();
a.ref = b;
b.ref = a;
a = null;
b = null;
// 引用计数都是 1，但实际已无法访问 → 内存泄漏

1.2 可达性分析（Java 采用）

从 GC Roots 开始向下搜索，搜索过的路径称为引用链。如果一个对象到 GC Roots 没有任何引用链，说明不可达，可回收。

GC Roots（根节点集合）
├── 虚拟机栈中的引用（局部变量）
├── 方法区中静态属性引用
├── 方法区中常量引用
├── 本地方法栈中 JNI 引用
└── 被同步锁持有的对象

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二、四种垃圾回收算法

2.1 标记-清除（Mark-Sweep）

过程：

1. 标记所有需要回收的对象

2. 统一清除被标记的对象

   回收前：[A][B][C][D][E] （B、D 是垃圾）
   标记后：[A][✗][C][✗][E]
   清除后：[A][ ][C][ ][E] ← 内存不连续

优点 ：简单

缺点 ：产生大量不连续的内存碎片，后续分配大对象时可能找不到连续空间

适用：老年代（对象存活率高）

2.2 复制（Copying）

过程：

1. 将内存分为大小相等的两块

2. 每次只使用一块

3. 回收时，将存活对象复制到另一块

4. 清空当前使用的块

   回收前：
   From 区：[A][B][C][D] （B、D 是垃圾）
   To 区：[ ][ ][ ][ ]

   复制后：
   From 区：[ ][ ][ ][ ] ← 清空
   To 区：[A][C][ ][ ] ← 存活对象

优点 ：无内存碎片，分配效率高（指针碰撞）

缺点：浪费一半内存

改进（实际采用）：Eden + 两个 Survivor（8:1:1）

• Eden 占 80%，Survivor 各占 10%
• 每次使用 Eden + 一个 Survivor
• 回收时，将存活对象复制到另一个 Survivor
• 只浪费 10% 内存

适用：新生代（对象朝生夕死，存活率低）

2.3 标记-整理（Mark-Compact）

过程：

1. 标记所有需要回收的对象

2. 将存活对象向一端移动

3. 清理边界外的内存

   回收前：[A][B][C][D][E] （B、D 是垃圾）
   标记后：[A][✗][C][✗][E]
   整理后：[A][C][E][ ][ ] ← 内存连续

优点 ：无内存碎片

缺点 ：移动对象开销大（需要更新引用）

适用：老年代（对象存活率高，移动成本低）

2.4 分代回收（Generational Collection）

核心思想：根据对象存活年代选择不同的算法。

区域	对象特点	采用算法
新生代	朝生夕死，存活率低	复制算法（效率高）
老年代	存活率高，移动成本大	标记-清除或标记-整理

面试回答模板：分代回收是为了提高效率。新生代对象大部分都死，用复制算法每次只复制少量存活对象；老年代对象存活率高，用标记-整理避免碎片。

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三、CMS 回收器（Concurrent Mark Sweep）

3.1 特点

• 目标：最短回收停顿时间
• 算法：标记-清除
• 适用：老年代
• 并发回收：回收过程中用户线程继续运行

3.2 四个阶段

1. 初始标记（Initial Mark）
   └─ 标记 GC Roots 直接关联的对象
   └─ STW（Stop The World，暂停用户线程）
   └─ 速度快

2. 并发标记（Concurrent Mark）
   └─ 从 GC Roots 开始遍历整个对象图
   └─ 用户线程并发执行
   └─ 耗时最长

3. 重新标记（Remark）
   └─ 修正并发标记期间变动的对象
   └─ STW
   └─ 时间比初始标记长

4. 并发清除（Concurrent Sweep）
   └─ 清除被标记的垃圾对象
   └─ 用户线程并发执行

3.3 优缺点

优点：

• 并发收集、低停顿
• 适合互联网应用（对响应时间敏感）

缺点：

问题	原因	解决
CPU 资源敏感	并发阶段占用 CPU	-XX:ParallelGCThreads 控制线程数
浮动垃圾	并发清除阶段新产生的垃圾	预留内存空间
内存碎片	标记-清除算法	Full GC 时整理
并发失败	内存不足 → Full GC → STW	调大堆或换 G1

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四、G1 回收器（Garbage First）

4.1 特点

• 目标：可预测的停顿时间模型
• 算法：标记-整理（整体）+ 复制算法（局部）
• 适用：全堆（新生代 + 老年代）
• JDK 9 成为默认回收器

4.2 核心设计：Region 划分

G1 把堆划分为多个大小相等的独立区域（Region）：

堆（Heap）
┌─────┬─────┬─────┬─────┬─────┐
│ Eden│ Eden│ S0  │ S1  │ Old │
├─────┼─────┼─────┼─────┼─────┤
│ Old │ Old │ Hum │ Hum │ Old │
├─────┼─────┼─────┼─────┼─────┤
│ Old │ Old │ Old │ Old │ Old │
└─────┴─────┴─────┴─────┴─────┘

Region 类型：
- Eden：新生代对象
- Survivor：存活对象
- Old：老年代对象
- Hum：Humongous（大对象，超过 Region 50%）

关键点：每个 Region 既可能是新生代，也可能是老年代，不再物理隔离。

4.3 回收过程

1. 初始标记（STW）
   └─ 标记 GC Roots 直接关联的对象

2. 并发标记
   └─ 遍历对象图，统计各 Region 存活对象价值

3. 最终标记（STW）
   └─ 修正并发标记期间变动

4. 筛选回收
   └─ 根据用户设定的停顿时间，选择回收价值最高的 Region
   └─ 复制存活对象，清空垃圾 Region

核心思想：优先回收垃圾最多的 Region（Garbage First 名字的由来）。

4.4 CMS vs G1 对比

维度	CMS	G1
适用区域	老年代	全堆
算法	标记-清除	标记-整理 + 复制
内存碎片	有	无（整理过）
停顿预测	不支持	支持（-XX:MaxGCPauseMillis）
适用场景	小堆（<8G）、低延迟	大堆（≥8G）、可预测停顿

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🗺️ 思维导图速览

JVM 垃圾回收
├── 判断对象存活
│   ├── 引用计数法（循环引用问题）
│   └── 可达性分析（GC Roots）
├── 四种算法
│   ├── 标记-清除（碎片问题，老年代）
│   ├── 复制（新生代，Eden+S0+S1）
│   ├── 标记-整理（老年代，无碎片）
│   └── 分代回收（新生代复制+老年代标记-整理）
└── 回收器
    ├── CMS（并发标记清除，低延迟，有碎片，适合小堆）
    └── G1（Region 划分，可预测停顿，JDK 9+ 默认，适合大堆）

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📝 写在最后

学习建议

1. GC 算法要理解区别：标记-清除有碎片、复制浪费内存、标记-整理移动开销大，面试会问"为什么新生代用复制、老年代用标记-整理"
2. CMS 和 G1 要对比：CMS 适合小堆低延迟但有碎片，G1 Region 划分可预测停顿无碎片
3. JDK 9+ 默认 G1：这个结论要记住，面试经常问

面试回答模板

Q：说说 JVM 的垃圾回收算法？

JVM 有四种垃圾回收算法。标记-清除算法简单但会产生内存碎片；复制算法把内存分成两块，每次只使用一块，回收时把存活对象复制到另一块，适合新生代；标记-整理算法先标记再移动存活对象，无碎片但移动开销大，适合老年代；分代回收结合两者优点，新生代用复制算法，老年代用标记-清除或标记-整理。

Q：CMS 和 G1 的区别？

CMS 是并发标记清除回收器，适合老年代，追求低延迟但会产生内存碎片；G1 是 Garbage First 回收器，把堆划分为多个 Region，整体看是标记-整理，局部是复制算法，支持可预测的停顿时间模型，JDK 9 成为默认回收器。CMS 适合小堆（<8G），G1 适合大堆（≥8G）。