【JVM】详解Java中的垃圾回收

概念

在传统的编程语言中，内存的管理通常需要由开发人员手动进行分配和释放。这种手动管理容易导致一系列问题，例如内存溢出（内存不足时继续申请内存）和内存泄漏（已不再使用的内存未被释放）。这些问题可能导致程序的不稳定，甚至崩溃。

然而，Java通过引入垃圾回收（Garbage Collection，简称GC）机制，实现了自动内存管理。垃圾回收机制主要针对堆内存中的对象进行管理，其核心功能是自动分配和回收不再使用的对象的内存。

通过GC，Java虚拟机（JVM）在程序运行时可以自动识别并清理那些不再使用的对象，从而使开发人员无需手动管理内存。这不仅提高了开发效率，减少了内存管理相关的错误，还增强了程序的可靠性和稳定性。

垃圾判断算法

要判断对象是否为垃圾，通常有两种主流算法：引用计数法和可达性分析算法。

1.引用计数法

引用计数法为对象添加一个引用计数器，每当有一个地方引用该对象时，计数器加1；当引用失效时，计数器减1。计数器为0的对象即被认为是垃圾，可以被回收。这种方法简单直观，但无法处理循环引用的问题，即两个对象互相引用，但不再被其他对象引用的情况。

2.可达性分析算法

可达性分析算法通过一系列称为“GC Roots”的根对象开始，沿着这些对象的引用链进行遍历。凡是能被GC Roots引用到的对象都是“可达”的，不会被回收；而那些不可达的对象则被认为是垃圾，将被清理。这种算法解决了引用计数法的循环引用问题，是Java中垃圾回收的主要算法。

垃圾收集算法

垃圾收集算法是具体执行垃圾回收任务的方法，常见的算法包括：

1. 标记-清除算法

原理与步骤：
标记-清除（Mark-Sweep）算法是垃圾回收中最基础的算法之一。它的工作原理分为两个阶段：

标记阶段：从根集合（GC Roots）出发，遍历堆中的所有对象，标记所有仍在使用中的对象。
清除阶段：遍历堆中的所有对象，清除那些未被标记的对象，即认为它们是垃圾对象，可以回收其占用的内存。

优点：

简单直观：标记-清除算法实现简单，只需对对象进行标记和清除操作，无需考虑对象的复制或移动。
无须移动对象：该算法不移动对象的位置，因此适用于堆中有大量存活对象的情况。

缺点：

产生内存碎片：由于未被标记的对象直接被清除，剩余的存活对象可能分散在堆的各个位置，导致内存碎片的产生。这些碎片可能导致大对象无法分配足够的连续内存空间。
效率不高：标记和清除阶段都需要遍历整个堆，效率较低，尤其是在对象较多的情况下。

2. 复制算法

原理与步骤：
复制算法（Copying）将堆内存分为两个相同大小的区域——通常称为“From空间”和“To空间”：

分配内存：所有新创建的对象最初分配在“From空间”。
GC操作：当“From空间”用尽时，垃圾收集器将仍在使用的对象复制到“To空间”，然后清空“From空间”。接下来，原来的“To空间”成为新的“From空间”，进行下一轮分配和回收。

优点：

避免内存碎片：通过将存活对象复制到另一块连续的空间，复制算法可以有效避免内存碎片问题。
速度快：由于每次只处理存活对象，且无需在堆中遍历所有对象，复制算法在回收大量短命对象时效率很高。

缺点：

内存利用率低：由于内存分为两个区域，每次只使用其中一个区域，这意味着实际内存利用率只有50%。
不适合老年代：在老年代中，存活对象较多，复制操作成本较高，内存浪费严重。因此，复制算法主要用于新生代回收。

3. 标记-整理算法

原理与步骤：
标记-整理（Mark-Compact）算法结合了标记-清除和复制算法的优点：

标记阶段：与标记-清除算法相同，从根集合出发标记存活对象。
整理阶段：不同于标记-清除算法，标记-整理算法在清除阶段并不直接清理未标记的对象，而是将所有存活的对象向堆的一端移动，按顺序排列。最后，清理掉边界外的所有内存。

优点：

避免内存碎片：通过将对象整理到堆的一端，标记-整理算法有效避免了内存碎片问题，使得堆内存更加紧凑。
内存利用率高：标记-整理算法避免了复制算法的内存浪费问题，最大限度地利用可用内存。

缺点：

效率较低：虽然避免了碎片问题，但移动对象的操作增加了算法的开销，尤其在堆中对象较多的情况下，标记和整理阶段都需要较长时间。

4. 分代回收算法

原理与背景：
分代回收（Generational Collection）算法基于“对象生命周期假说”，即大部分对象在内存中的生命周期是很短的，而少部分对象则会长期存活。因此，JVM将堆内存划分为几代：新生代（Young Generation）、老年代（Old Generation）和永久代（在Java 8后被元空间取代）。

新生代：大多数对象在新生代分配。当新生代的内存耗尽时，会触发“Minor GC”，通常使用复制算法来回收内存。由于新生代中的对象大多数都是短命的，因此复制算法的效率很高。
老年代：存活时间较长的对象会从新生代晋升到老年代。老年代的GC称为“Major GC”或“Full GC”，通常使用标记-整理算法，因为老年代中存活对象较多，适合这种算法。
永久代/元空间：永久代存放类的元数据，Java 8之后被移到元空间（Metaspace），不再由堆管理。

优点：

适应对象生命周期：分代回收算法根据对象的生命周期特点优化了内存管理，避免了一刀切的回收策略。
高效回收：新生代使用复制算法快速回收短命对象，老年代使用标记-整理算法处理长命对象，提高了整体GC的效率。

缺点：

复杂性高：分代回收的策略需要对对象的生命周期进行判断和管理，增加了垃圾收集的复杂性。
老年代GC成本高：虽然新生代GC频繁且快速，但老年代GC较为昂贵，可能导致应用程序停顿较长时间。

垃圾收集器

垃圾收集器是垃圾收集算法的具体实现，JVM中常见的垃圾收集器包括：

1.Serial收集器（复制算法）

Serial收集器是新生代的单线程收集器，所有的垃圾收集工作都是由一个线程完成的。虽然简单且在单核CPU上效率较高，但在多核环境下性能有限。

2.ParNew收集器（复制算法）

ParNew收集器是Serial收集器的多线程版本，适用于多核CPU环境，在并行执行垃圾收集时比Serial收集器更高效。

3.Parallel Scavenge收集器（复制算法）

Parallel Scavenge收集器也是新生代的并行收集器，但其目标是最大化吞吐量，即最小化垃圾回收时间与应用程序运行时间的比例。它是JDK1.8 默认收集器 ，适用于对响应时间要求不高的后台任务。

4.Serial Old收集器（标记-整理算法）

Serial Old收集器是Serial收集器在老年代的实现，依旧是单线程，但适用于老年代对象的垃圾回收。

5.Parallel Old收集器（标记-整理算法）

Parallel Old收集器是Parallel Scavenge收集器的老年代版本，同样追求吞吐量优先，适用于大规模并发任务。

6.CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器（标记-清除算法）

CMS收集器的目标是最小化垃圾回收的停顿时间，它通过多线程并行执行标记和清除，适用于需要低停顿时间的应用，如交互式应用。

7.G1（Garbage First）收集器（标记-整理算法）

G1收集器是JDK 1.7引入的并行垃圾收集器，基于标记-整理算法，避免了内存碎片问题。G1的一个显著特点是，它可以回收整个Java堆（包括新生代和老年代），适用于需要处理大堆内存的应用程序。

通过合理选择垃圾收集器和算法，可以有效提升Java应用程序的性能，满足不同应用场景的需求。