java 垃圾回收器 详解

Java 的垃圾回收器（Garbage Collector, GC）是 JVM 的核心功能之一，负责自动管理内存，回收不再被引用的对象，释放内存空间以供新对象使用。以下是 Java 中垃圾回收器的详解，包括其工作原理、不同垃圾回收器的特点以及使用场景。

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1. 垃圾回收的工作原理

1.1 垃圾回收的目标

• 自动回收堆内存中不再使用的对象。
• 提高程序运行效率，减少手动管理内存的风险（如内存泄漏、内存溢出）。

1.2 垃圾回收的判定条件

• 引用计数法（已废弃）：对象被引用的次数为 0 时被认为是垃圾。
• 可达性分析法（现代 GC 使用）：通过一组“GC Roots”对象，从根节点开始分析是否可以到达某个对象，无法到达的对象被视为垃圾。

GC Roots 的来源

1. 当前栈帧中的局部变量。
2. 方法区中的静态变量。
3. 活跃的线程。
4. JNI（Java Native Interface）引用的对象。

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2. JVM 垃圾回收区域

垃圾回收器主要针对 堆内存，分为以下两大区域：

2.1 年轻代（Young Generation）

• Eden 区：对象首次分配内存的位置。
• Survivor 区：
  • From Survivor 和 To Survivor，用于存放从 Eden 区复制的幸存对象。
  • 多次复制后，幸存对象晋升到老年代。

特点：

• 对象生命周期短，回收频繁。
• 使用“Minor GC”（小型垃圾回收）。

2.2 老年代（Old Generation）

• 存储生命周期较长的对象（从年轻代晋升）。
• 发生“Major GC”或“Full GC”时才会清理。

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3. 常见垃圾回收器

3.1 串行垃圾回收器（Serial GC）

• 特点：
  • 单线程工作。
  • 停止所有用户线程（Stop-The-World, STW）进行垃圾回收。
  • 简单高效，适用于单线程环境。
• 参数：

  -XX:+UseSerialGC
  

• 适用场景：
  • 单核 CPU 或内存较小的场景。
  • 桌面应用或开发测试环境。

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3.2 并行垃圾回收器（Parallel GC）

• 特点：
  • 多线程并行进行垃圾回收。
  • 目标是最大化吞吐量（应用运行时间与垃圾回收时间的比值）。
  • 适合高吞吐量场景。
• 参数：

  -XX:+UseParallelGC
  

• 适用场景：
  • 后台计算任务或批处理系统，要求高吞吐量而非低延迟。

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3.3 CMS（Concurrent Mark-Sweep）垃圾回收器

• 特点：
  • 以最小化 STW 为目标，适合低延迟场景。
  • 采用“标记-清除”算法：
    1. 初始标记：标记 GC Roots 可达的对象（STW）。
    2. 并发标记：遍历整个堆，标记所有可达对象。
    3. 重新标记：处理并发标记期间的变化（STW）。
    4. 并发清除：回收不可达对象。
• 参数：

  -XX:+UseConcMarkSweepGC
  

• 优点：
  • 减少停顿时间。
• 缺点：
  • 内存碎片化问题。
  • 并发阶段对 CPU 消耗较高。
• 适用场景：
  • 需要低延迟的响应式应用，例如 Web 服务。

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3.4 G1（Garbage-First）垃圾回收器

• 特点：
  • 目标是低延迟和高吞吐量的平衡。
  • 将堆划分为多个固定大小的区域（Region），每次回收优先处理垃圾最多的区域。
  • 支持预测停顿时间。
• 参数：

  -XX:+UseG1GC
  

• 运行过程：
  1. 初始标记：标记 GC Roots 可达对象（STW）。
  2. 并发标记：并发标记整个堆。
  3. 最终标记：修正并发标记期间的变化（STW）。
  4. 筛选回收：按垃圾量回收优先级回收区域。
• 优点：
  • 更少的内存碎片。
  • 可控制停顿时间。
• 适用场景：
  • 大内存应用和需要稳定停顿时间的场景。

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3.5 ZGC（Z Garbage Collector）

• 特点：
  • 以超低延迟为目标，停顿时间通常在 10 毫秒以内。
  • 使用染色指针（Colored Pointers）和内存压缩技术。
• 参数：

  -XX:+UseZGC
  

• 优点：
  • 适合超大堆（TB 级别）。
  • 几乎不会出现长时间的 STW。
• 缺点：
  • 暂时不支持所有平台（仅支持 64 位操作系统）。
• 适用场景：
  • 延迟敏感的大型应用。

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3.6 Shenandoah GC

• 特点：
  • 类似于 ZGC，目标是低延迟。
  • 并发压缩堆内存，减少停顿时间。
• 参数：

  -XX:+UseShenandoahGC
  

• 优点：
  • 停顿时间短，适合低延迟场景。
• 缺点：
  • 实现复杂，可能对 CPU 要求较高。

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4. 垃圾回收器的选择

垃圾回收器	特点	适用场景
Serial GC	单线程，简单高效	单线程应用，内存较小的场景
Parallel GC	高吞吐量，多线程并行	后台批处理、大型数据计算任务
CMS GC	低延迟，减少停顿	响应时间要求高的服务，如 Web 服务
G1 GC	平衡吞吐量与延迟	大内存应用，停顿时间敏感的场景
ZGC	超低延迟，支持大堆	延迟敏感的超大内存应用（如机器学习、数据分析）
Shenandoah GC	低延迟，并发内存压缩	高并发、低延迟应用

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5. 如何监控和优化垃圾回收

5.1 常用监控工具

1. JVM 内置工具：
   • jstat：监控堆内存、GC 行为。
   • jmap：生成堆快照。
   • jconsole 和 VisualVM：图形化界面监控。
2. 第三方工具：
   • Prometheus + Grafana：监控 JVM 指标。
   • Java Flight Recorder (JFR)：性能分析。

5.2 优化建议

1. 合理配置 JVM 参数：
   • 堆大小：-Xms 和 -Xmx。
   • 年轻代与老年代比例：-XX:NewRatio。
   • 垃圾回收器选择：根据场景选择合适的 GC。
2. 减少对象分配：
   • 优化代码逻辑，避免过多短生命周期对象。
   • 使用对象池（如线程池、连接池）。
3. 监控 GC 行为：
   • 定期检查 GC 日志，分析停顿时间和频率。

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6. 总结

Java 垃圾回收器是 JVM 内存管理的核心，它通过多种策略和算法自动清理内存中的垃圾对象，提高程序运行效率。选择合适的垃圾回收器需要综合考虑应用场景、延迟要求和吞吐量需求：

• 低延迟场景：选择 CMS、G1、ZGC 或 Shenandoah。
• 高吞吐量场景：选择 Parallel GC。
• **普通场景
  **：选择默认的 G1 GC（JDK 9+）。

理解不同垃圾回收器的工作原理和适用场景是优化 Java 应用性能的关键。