JVM垃圾回收全攻略：标记清除、复制、整理及新一代收集器

JVM垃圾回收全攻略：标记清除、复制、整理及新一代收集器

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/i_YOLO/article/details/145765698

JVM垃圾回收机制是Java开发中一个非常重要且复杂的主题。本文将全面介绍JVM垃圾回收的基本原理、常见算法、分代收集策略以及现代垃圾收集器的实现方式，帮助开发者深入理解JVM内存管理机制。

JVM垃圾回收全攻略：标记清除、复制、整理及新一代收集器

一、垃圾回收的基本思想

JVM 的垃圾回收（Garbage Collection, GC）主要解决内存管理问题，自动回收不再被引用的对象，避免内存泄漏，同时降低开发者的内存管理负担。核心思想基于可达性分析，从 GC Roots（如栈中局部变量、静态属性、常驻线程等）出发，判定哪些对象是“活”的，其余均可回收。

二、常见的垃圾回收算法

1. 引用计数算法（Reference Counting）

• 原理：
  每个对象维护一个引用计数器，当计数为 0 时说明对象不再被使用，从而回收内存。

• 缺陷：

• 不能解决循环引用问题（例如两个对象互相引用但外部无引用）。

• 维护计数带来额外的性能开销。

• 现状：
  现代 JVM 几乎不采用引用计数，而是使用可达性分析。

2. 可达性分析（Reachability Analysis）

• 原理：
  从一系列被称为 GC Roots 的根节点出发，通过递归或迭代遍历整个对象图，标记出所有可达对象，未被标记的对象即为垃圾。

• 优点：

• 能正确处理循环引用问题。

• 不需要维护额外的计数信息。

• 应用：
  作为大部分垃圾收集器的基础技术。

3. 标记-清除（Mark-Sweep）算法

• 过程：

1. 标记阶段：遍历所有可达对象并打上标记。
2. 清除阶段：扫描整个堆，回收未被标记的对象。

• 缺陷：

• 产生大量内存碎片，可能导致后续分配失败。

• 清除阶段需要遍历整个堆，停顿时间较长。

• 改进：
  随后出现了标记-整理算法，解决内存碎片问题。

4. 标记-整理（Mark-Compact）算法

• 过程：

1. 标记阶段：与标记-清除相似。
2. 整理阶段：将存活对象移动到堆的一端，形成连续的空闲内存区域。

• 优点：

• 避免了内存碎片问题，便于大对象的分配。

• 缺陷：

• 移动对象需要更新引用，带来额外开销，可能引起较长停顿。

5. 复制算法（Copying）

• 过程：
  将内存划分为两个区域（From 区和 To 区），只使用其中一块。当 GC 触发时，将存活对象复制到另一块区域，然后一次性清空当前区域。

• 优点：

• 无碎片问题，复制过程简单高效。

• 缺陷：

• 需要额外 50% 的内存空间，适合对象存活率低的区域。

• 应用：
  主要用于新生代垃圾回收，因为新创建的对象存活率低，复制开销较小。

6. 分代收集策略（Generational Collection）

JVM 根据对象存活周期的不同，将堆划分为不同的区域，分别采用适合的垃圾收集算法：

（1）新生代（Young Generation）

• 特点：

• 大部分对象生命周期短暂。

• 使用复制算法（Eden 区与两个 Survivor 区交替使用）。

• 过程：

• 对象首先分配在 Eden 区，经过几次 Minor GC 后，存活对象在 Survivor 区之间复制；达到一定年龄后晋升到老年代。

（2）老年代（Old Generation）

• 特点：

• 存放生命周期较长的对象。

• 使用标记-整理或标记-清除算法。

• 注意：

• 因为老年代对象较多，Full GC 时可能会有较长停顿。

（3）元空间/永久代（Metaspace/PermGen）

• 功能：

• 存放类信息、常量池、方法区数据。

• 演进：

• JDK 8 之前使用永久代（PermGen），JDK 8 之后改为元空间（Metaspace），避免了固定大小的问题。

7. 现代垃圾收集器

（1）CMS（Concurrent Mark-Sweep）

• 特点：

• 采用并发标记和清除，尽量缩短 STW（Stop The World）时间。

• 不整理内存，可能会导致碎片化。

• 适用场景：

• 需要低停顿时间的应用，但对内存碎片较为宽容。

（2）G1（Garbage First）

• 特点：

• 将堆划分为多个大小相等的区域（Region），不再区分新生代和老年代的固定空间。

• 采用混合回收策略，根据区域回收收益排序，优先回收垃圾最多的区域，从而达到低停顿与高吞吐量的平衡。

• 优势：

• 更好地控制 GC 停顿时间，适用于大内存场景。

• 内部机制：

• 包括初始标记、并发标记、重新标记和最终清除阶段，部分阶段仍是 STW，但时间可控。

（3）低延迟收集器：ZGC 与 Shenandoah

• ZGC：

• 适用于超大堆内存（TB 级别），目标是将停顿时间控制在毫秒级别。

• Shenandoah：

• 与 ZGC 类似，侧重于并发压缩和低停顿设计。

• 特点：

• 通过并发标记、并发整理和多种优化技术，实现低延迟和高吞吐量的平衡。

三、总结

1. 基本原理：
   现代 JVM 垃圾回收的核心是从 GC Roots 开始的可达性分析，借助多种算法（标记-清除、复制、标记-整理等）来识别并回收垃圾对象。

2. 分代收集：
   根据对象生命周期的特点，将堆分为新生代和老年代，新生代常采用复制算法，而老年代则使用标记-整理或标记-清除，以优化性能和降低停顿。

3. 现代垃圾收集器：

• CMS 和 G1通过并发和区域划分等技术降低 GC 停顿，适应大规模和高吞吐量场景；
• ZGC 和 Shenandoah则专注于极低停顿，适合对延迟敏感的应用场景。