图解JVM - 11.垃圾回收概述及算法

图解JVM - 11.垃圾回收概述及算法

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/Anarkh_Lee/article/details/145896696

JVM垃圾回收机制是Java开发者必须掌握的核心技术之一。本文将从垃圾回收的基本概念出发，深入探讨各种垃圾回收算法的原理与应用，帮助读者全面理解JVM内存管理机制。

1. 垃圾回收概述

1.1 什么是垃圾？

在JVM语境中，"垃圾"指失去所有引用的堆内存对象。判定标准包括：

• 不可达对象（通过GC Roots不可达）
• 循环引用孤岛（彼此引用但整体不可达）
• 特殊引用（软/弱/虚引用）的次级对象

1.2 为什么需要GC？

垃圾回收机制的核心作用包括：

1. 内存安全：防止野指针和非法内存访问
2. 资源管理：自动回收不再使用的对象
3. 性能优化：通过内存整理提升访问效率

1.3 早期垃圾回收

早期的垃圾回收机制主要采用简单的引用计数法，但存在循环引用无法回收的问题。随着技术发展，现代JVM采用了更复杂的算法来解决这一问题。

1.4 Java垃圾回收机制

Java的垃圾回收机制具有以下核心特性：

1. 自动内存管理：开发人员无需显式释放内存
2. 分代假设：基于弱分代假说和强分代假说
3. STW机制：通过安全点（Safepoint）控制

2. 垃圾回收相关算法

2.1 标记阶段：引用计数算法

引用计数算法通过为每个对象维护一个引用计数器来判断对象是否可回收。但该算法存在致命缺陷：

循环引用问题：即使对象间互相引用，但因外部引用断开，实际已成为垃圾却无法被识别

2.2 标记阶段：可达性分析算法

可达性分析算法是现代JVM中主流的垃圾回收算法，其核心原理是从GC Roots出发，遍历所有可达对象，标记为存活。GC Roots主要包括：

1. 虚拟机栈中的局部变量
2. 方法区静态属性引用
3. 方法区常量引用
4. 本地方法栈JNI引用
5. 同步锁持有对象

2.3 对象的finalization机制

对象的finalization机制允许对象在被回收前执行一些清理工作。但需要注意：

• finalize()方法只会被JVM调用一次
• 不保证执行顺序

2.4 MAT与JProfiler的GC Roots溯源

MAT（Memory Analyzer Tool）和JProfiler是常用的内存分析工具，可以帮助开发者追踪GC Roots，定位内存泄漏问题。具体操作流程包括：

1. 生成堆转储文件
2. 使用工具加载堆转储文件
3. 查找特定对象的GC Roots路径

2.5 清除阶段：标记-清除算法

标记-清除算法分为两个阶段：

1. 标记阶段：通过可达性分析标记所有存活对象
2. 清除阶段：线性遍历堆内存，回收未被标记的对象块

该算法的主要缺陷是：

• 两次全堆扫描（标记和清除）效率低
• 清除后内存空间不连续，导致分配大对象时触发Full GC

2.6 清除阶段：复制算法

复制算法将可用内存分为两个等大的From和To区域，将From区存活对象复制到To区，并保持内存紧凑。其优劣势如下：

2.7 清除阶段：标记-压缩算法

标记-压缩算法在标记阶段后，将所有存活对象向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存。该算法适用于：

• 老年代垃圾回收（配合CMS或G1使用）
• 需要长期存活的大对象管理

2.8 算法对比总结

不同垃圾回收算法各有优劣，选择时需要根据具体场景和需求进行权衡。

2.9 分代收集算法

JVM将堆内存分为年轻代和老年代，采用不同的回收策略：

2.10 增量收集与分区算法

增量收集算法将垃圾回收任务分割成多个小任务，交错执行，以减少停顿时间。分区算法则将堆内存划分为多个独立区域，可以并行处理，提高效率。

3. 垃圾回收常见问题与解决方案

3.1 内存泄漏问题

内存泄漏是常见的性能问题，主要表现为：

1. 线程局部变量泄漏：ThreadLocal使用后未remove
2. 缓存失控增长：Guava Cache未设置过期策略
3. JNI引用未释放：本地方法分配的内存未回收

3.2 GC性能调优

GC调优需要根据应用场景选择合适的垃圾回收器：

3.3 Full GC频繁触发

Full GC频繁触发会影响系统性能，常见原因包括：

1. 老年代空间分配担保失败
2. 元空间/metadata区溢出
3. System.gc()主动调用

诊断时需要通过日志分析具体原因，然后针对性优化。

4. 高频面试问题与解答

Q1：引用计数算法与可达性分析的本质区别？

引用计数算法通过维护对象引用计数来判断是否可回收，而可达性分析算法从GC Roots出发，遍历所有可达对象，标记为存活。引用计数算法无法解决循环引用问题，而可达性分析算法可以。

Q2：对象自救的可行性及限制？

对象可以通过重写finalize()方法实现自救，但存在以下限制：

1. finalize()执行顺序不确定
2. 自救仅能执行一次
3. 不推荐在生产环境使用

Q3：标记-清除算法导致的内存碎片如何影响系统？

内存碎片会导致内存分配效率降低，因为需要在碎片中寻找足够大的连续空间。解决方案包括：

Q4：G1收集器如何实现可预测停顿？

G1收集器通过以下机制实现可预测停顿：

1. 将堆划分为2048个Region（默认）
2. 基于回收效益的优先级排序
3. 使用Remembered Set处理跨代引用

Q5：如何排查OOM问题？

排查OOM问题需要：

1. 生成堆转储文件：jmap -dump:format=b,file=heap.hprof <pid>
2. 查看对象直方图：jmap -histo <pid>

Q6：ZGC的核心创新点？

ZGC的主要创新点包括：

1. 可扩展的读屏障
2. 原子染色指针
3. 不需要全局安全点

适用场景包括：

• 要求低延迟的金融交易系统
• 大内存云原生应用
• JDK15+生产环境