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

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。