垃圾回收机制(Garbage Collection,简称GC)是Java虚拟机(JVM)中的一项关键技术,它自动管理程序运行时产生的内存分配与释放,从而减轻了程序员手动管理内存的负担,并减少了由于错误的内存管理而导致的问题。GC的核心任务是在不影响应用程序正常运作的前提下,识别并回收不再使用的对象所占用的内存空间。
垃圾回收的重要性
在Java编程环境中,几乎所有的对象实例都存放在堆内存中,而这些对象的生命周期往往是不确定的。随着程序的持续运行,如果不对不再需要的对象进行清理,那么堆内存将会逐渐被耗尽,最终导致内存溢出错误(OutOfMemoryError)。因此,有效的垃圾回收不仅能够防止内存泄漏,还能确保系统资源得到合理利用,进而提升应用的整体性能。
判断对象是否为垃圾
为了确定哪些对象可以被视为“垃圾”,即那些不再被引用或无法访问的对象,JVM采用了两种主要的方法:
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引用计数算法:每个对象都有一个计数器来记录指向它的引用数量。每当有一个新的引用指向该对象时,计数器加一;当某个引用失效时,计数器减一。一旦计数器归零,则表明此对象已无任何外部引用,可作为垃圾处理。然而,这种方法存在一个严重的缺陷——无法解决对象之间的循环引用问题。
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可达性分析法(Reachability Analysis):这是目前主流商用语言中最常用的判断方法。通过从一组称为GC Roots的对象出发,沿着引用链向下搜索所有直接或间接可达的对象。如果某个对象到GC Roots间没有任何引用路径,则认为它是不可达的,也就是所谓的“垃圾”。GC Roots通常包括但不限于:
- 虚拟机栈中的局部变量表;
- 方法区中的静态属性;
- 方法区中的常量;
- 本地方法栈中的JNI引用。
垃圾回收算法
根据不同的应用场景和技术要求,JVM实现了多种垃圾回收算法,每种算法都有其特点和适用范围:
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标记-清除(Mark-Sweep)算法:分为两个阶段,首先是标记所有存活的对象,然后遍历整个堆,回收未标记的对象。但这种算法容易产生内存碎片,影响后续的大块内存分配效率。
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复制(Copying)算法:将内存划分为两部分,每次只使用其中一部分。当这部分满了之后,把存活的对象复制到另一部分,然后清空当前部分。虽然没有内存碎片的问题,但是需要双倍的内存空间。
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标记-整理(Mark-Compact)算法:结合了前两种算法的优点,先标记所有存活的对象,再将它们移动到堆的一端,最后清理掉剩余的空间。这种方式既可以避免内存碎片,也不需要额外的内存开销。
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分代收集(Generational Collection)算法:基于对象的存活时间特性,将堆内存分为年轻代(Young Generation)、老年代(Old Generation)以及永久代(Permanent Generation,在JDK 8及以后版本中由元空间替代)。年轻代的对象存活期短且频繁发生GC,适合采用快速的复制算法;而老年代的对象存活期长,更适合用标记-清除或标记-整理算法。
JVM中的垃圾收集器
针对上述算法,JVM提供了多种垃圾收集器供用户选择,以满足不同类型的业务需求。例如:
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Serial收集器:单线程工作,适用于小型应用或客户端环境。
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ParNew收集器:多线程并行执行,适合与CMS收集器配合使用,减少停顿时间。
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Parallel Scavenge/Parallel Old收集器:专注于高吞吐量的应用场景。
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CMS(Concurrent Mark Sweep)收集器:旨在最小化停顿时间,适合对响应速度敏感的应用。
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G1(Garbage-First)收集器:分区收集器,优先处理垃圾最多的区域,适用于大内存、多处理器服务器环境。
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ZGC(Z Garbage Collector)收集器:极低延迟的垃圾收集器,支持超大堆内存。