Java垃圾回收机制与算法

垃圾回收（GC）自动回收不再使用的对象，释放内存。

垃圾判断方法

1. 引用计数法

// 对象被引用时计数+1，引用失效时-1
// 计数为0时可回收
// 问题：循环引用无法回收

2. 可达性分析（JVM使用）

从GC Roots开始搜索，不可达的对象可回收。

GC Roots包括：

• 栈中引用的对象
• 方法区静态属性引用的对象
• 方法区常量引用的对象
• 本地方法栈JNI引用的对象

        GC Roots
            ↓
      ┌─────┴─────┐
      │           │
    对象A        对象B
      ↓           ↓
    对象C        对象D
                  ↓
                对象E  ← 不可达，可回收

Java引用类型

// 强引用
Object obj = new Object();  // 不会被回收

// 软引用
SoftReference<Object> soft = new SoftReference<>(new Object());

// 弱引用
WeakReference<Object> weak = new WeakReference<>(new Object());

// 虚引用
PhantomReference<Object> phantom = new PhantomReference<>(new Object(), queue);

GC算法

1. 标记-清除

标记阶段：标记需要回收的对象
清除阶段：回收标记的对象

缺点：
- 效率不高
- 内存碎片

标记前：│A│B│C│D│E│F│
标记后：│A│ │C│ │E│F│  (B、D标记为垃圾)
清除后：│A│空│C│空│E│F│  (产生碎片)

2. 标记-复制

年轻代使用：
- Eden + Survivor0 + Survivor1
- Eden满时，存活对象复制到Survivor
- Survivor满时，复制到另一个Survivor或老年代

优点：无碎片
缺点：空间利用率低

Eden区：│A│B│C│垃圾│垃圾│
         ↓ 复制
Survivor：│A│B│C│空│空│

3. 标记-整理

标记阶段：标记存活对象
整理阶段：存活对象向一端移动，清理边界内存

优点：无碎片
缺点：移动成本高

标记前：│A│空│B│空│C│空│
整理后：│A│B│C│空│空│空│

分代收集

┌───────────────────────────────────────┐
│                堆                      │
├───────────────────────────────────────┤
│  年轻代（Young Gen）                   │
│  ┌───────────────────────────────┐    │
│  │ Eden │ Survivor0 │ Survivor1 │    │
│  │ 80%  │   10%     │   10%     │    │
│  └───────────────────────────────┘    │
│  → 新对象，频繁GC，复制算法             │
├───────────────────────────────────────┤
│  老年代（Old Gen）                     │
│  → 长期存活对象，较少GC，标记-整理      │
└───────────────────────────────────────┘

GC类型

常见垃圾收集器

年轻代收集器

老年代收集器

新一代收集器

CMS收集器流程

1. 初始标记（STW）：标记GC Roots直接关联的对象
2. 并发标记：并发标记所有可达对象
3. 重新标记（STW）：修正并发标记期间的变动
4. 并发清除：并发清除标记对象

G1收集器特点

┌─────────────────────────────────────┐
│              G1堆分区                 │
├─────────────────────────────────────┤
│ ┌─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┐│
│ │E│E│S│S│O│O│O│O│H│H│H│H│ │ │ │ ││
│ └─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┘│
│ E=Eden, S=Survivor, O=Old, H=Humongous│
└─────────────────────────────────────┘

特点：
- 分区收集，不连续年轻代/老年代
- 可预测停顿时间
- 无碎片（复制算法）

GC参数配置

# 选择收集器
-XX:+UseSerialGC        # Serial + Serial Old
-XX:+UseParNewGC        # ParNew + Serial Old
-XX:+UseParallelGC      # Parallel Scavenge + Parallel Old
-XX:+UseConcMarkSweepGC # ParNew + CMS
-XX:+UseG1GC            # G1

# 吞吐量优先
-XX:MaxGCPauseMillis=200  # 最大停顿时间
-XX:GCTimeRatio=99        # GC时间占比

# CMS参数
-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=70  # 老年代70%触发CMS

# G1参数
-XX:MaxGCPauseMillis=200  # 目标停顿时间
-XX:G1HeapRegionSize=4m   # Region大小

GC日志分析

# 开启GC日志
-XX:+PrintGC
-XX:+PrintGCDetails
-XX:+PrintGCTimeStamps
-Xloggc:gc.log

# 示例日志
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 2048K->512K(2560K)]
 2048K->1024K(10240K), 0.0051234 secs]

注意事项

频繁Full GC是性能问题信号

CMS有内存碎片问题，必要时触发Full GC整理

G1适合大堆（>4GB），可预测停顿

合理设置堆大小减少GC频率

要点总结

1. 垃圾判断：可达性分析，从GC Roots搜索不可达对象
2. GC算法：标记-清除（碎片）、标记-复制（年轻代）、标记-整理（老年代）
3. 分代收集：年轻代频繁Minor GC，老年代Major/Full GC
4. 收集器选择：吞吐量用Parallel，延迟用CMS/G1
5. 监控GC日志，调优内存参数