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Java 垃圾回收？

约 1617 字大约 5 分钟

JVM字节美团

2025-04-18

⭐ 题目日期：

美团 - 2024/4/12，字节 - 2024/12/10

📝 题解：

一、核心概念

  1. 堆内存结构
    • 年轻代（Young Generation）：存放新创建的对象，分为 Eden区 和两个 Survivor区（S0/S1）。
    • 老年代（Old Generation）：存放长期存活的对象（经过多次Young GC未被回收的对象）。
    • 元空间（Metaspace）：JDK8+替代永久代（PermGen），存放类元数据、常量池等。

  2. 垃圾回收目标
    • 自动回收：释放无引用对象占用的内存，防止内存泄漏。
    • 内存整理：减少内存碎片，提高内存利用率。

  3. Stop-The-World（STW）
    • 垃圾回收过程中会暂停所有应用线程，影响响应时间。
    • 低延迟垃圾收集器（如G1、ZGC）通过并发标记、增量回收减少STW时间。

二、垃圾判定算法

  1. 引用计数法（Reference Counting）
    • 每个对象维护一个引用计数器，引用增减时更新计数器。
    • 缺点：无法解决循环引用问题（如A→B，B→A，但无外部引用）。

  2. 可达性分析（Reachability Analysis）
    • 从 GC Roots 出发，遍历对象引用链，未被引用的对象判定为垃圾。
    • GC Roots 包括：
    ◦ 虚拟机栈（栈帧中的局部变量）引用的对象。
    ◦ 方法区中静态变量、常量引用的对象。
    ◦ JNI（本地方法）引用的对象。

三、垃圾回收算法

  1. 标记-清除（Mark-Sweep）
    • 步骤：标记所有存活对象 → 清除未标记对象。
    • 缺点：内存碎片化，可能触发频繁Full GC。

  2. 复制算法（Copying）
    • 步骤：将存活对象从Eden和Survivor区复制到另一块Survivor区，清空原空间。
    • 优点：无碎片，适用于对象存活率低的场景（如年轻代）。
    • 缺点：空间利用率低（需预留50%内存）。

  3. 标记-整理（Mark-Compact）
    • 步骤：标记存活对象 → 将对象向内存一端移动 → 清理边界外内存。
    • 优点：避免碎片，适用于老年代。
    • 缺点：移动对象耗时，STW时间较长。

  4. 分代收集（Generational Collection）
    • 核心思想：根据对象存活周期划分内存区域，采用不同算法。
    ◦ 年轻代：使用复制算法（Minor GC）。
    ◦ 老年代：使用标记-清除或标记-整理算法（Full GC）。

四、垃圾收集器

  1. Serial 收集器
    • 单线程，通过复制算法处理年轻代，标记-整理处理老年代。
    • 适用场景：单核客户端应用（如Java桌面程序）。

  2. Parallel Scavenge / Parallel Old
    • 多线程并行回收，关注吞吐量（吞吐量 = 用户代码时间 / (用户代码时间 + GC时间)）。
    • 参数控制：-XX:MaxGCPauseMillis（最大GC停顿时间），-XX:GCTimeRatio（吞吐量目标）。

  3. CMS（Concurrent Mark-Sweep）
    • 目标：减少老年代回收的STW时间，通过并发标记实现低停顿。
    • 回收流程：
    1. 初始标记（STW）：标记GC Roots直接关联的对象。
    2. 并发标记：遍历对象图（与应用线程并发执行）。
    3. 重新标记（STW）：修正并发标记期间变动的引用。
    4. 并发清除：清理垃圾（并发执行）。
    • 缺点：内存碎片、CPU敏感、并发失败时退化为Serial Old。

  4. G1（Garbage-First）
    • 内存划分：将堆划分为多个 Region，每个Region可以是Eden、Survivor或Old类型。
    • 核心流程：
    1. 并发全局标记（Global Marking）：识别各Region存活对象比例。
    2. 混合回收（Mixed GC）：优先回收垃圾比例高的Region。
    • 优点：可预测的停顿时间（-XX:MaxGCPauseMillis），高吞吐与低延迟平衡。
    • 适用场景：大堆（>4GB）、响应时间敏感的应用。

  5. ZGC（Z Garbage Collector）
    • 目标：亚毫秒级STW停顿（<10ms），支持TB级堆内存。
    • 核心技术：
    ◦ 染色指针（Colored Pointers）：在指针中存储元数据，避免对象移动时的STW。
    ◦ 并发压缩：在应用线程运行时整理内存。
    • 参数启用：-XX:+UseZGC（JDK15+生产可用）。

  6. Shenandoah
    • 类似ZGC的低延迟收集器，通过 Brooks指针 和并发压缩实现低停顿。
    • 参数启用：-XX:+UseShenandoahGC（需额外安装）。

五、内存分配与回收策略

  1. 对象分配规则
    • 优先在Eden区分配：多数对象“朝生夕死”。
    • 大对象直接进入老年代：避免在Eden区反复复制（通过-XX:PretenureSizeThreshold设置阈值）。
    • 长期存活对象进入老年代：对象年龄计数器（默认15次Minor GC后晋升，通过-XX:MaxTenuringThreshold调整）。

  2. Minor GC 与 Full GC
    • Minor GC：回收年轻代，触发条件为Eden区满。
    • Full GC：回收整个堆（包括老年代和元空间），触发条件：
    ◦ 老年代空间不足。
    ◦ 元空间不足。
    ◦ System.gc()显式调用（可通过-XX:+DisableExplicitGC禁用）。

  3. 空间分配担保
    • Minor GC前检查老年代剩余空间是否足够容纳年轻代所有对象。
    • 若不足，触发Full GC（通过-XX:-HandlePromotionFailure控制策略）。

六、调优与实践

  1. 常见调优参数
    • 堆大小：-Xms（初始堆）、-Xmx（最大堆）。
    • 年轻代大小：-Xmn。
    • 元空间：-XX:MetaspaceSize、-XX:MaxMetaspaceSize。
    • 收集器选择：-XX:+UseG1GC、-XX:+UseConcMarkSweepGC。

  2. 监控工具
    • 命令行：jstat -gc <pid>（实时GC统计）、jmap -heap <pid>（堆内存快照）。
    • 图形化工具：VisualVM、MAT（Memory Analyzer Tool）分析堆转储（Heap Dump）。

  3. 避免内存泄漏
    • 排查长生命周期集合类（如静态Map缓存未清理）。
    • 避免未关闭的资源（数据库连接、文件流）。
    • 使用弱引用（WeakReference）管理缓存。

七、高级话题

  1. 三色标记算法
    • 白色：未访问对象。
    • 灰色：已访问但子节点未完全处理。
    • 黑色：已访问且子节点处理完成。
    • 并发标记问题：漏标（应用线程修改引用导致存活对象被误删），通过 增量更新（CMS） 或 原始快照（G1） 解决。

  2. 安全点（Safepoint）与安全区域（Safe Region）
    • 安全点：线程执行到特定位置（如方法调用、循环跳转）时才能暂停进行GC。
    • 安全区域：线程在一段代码中引用关系不会变化，可随时响应GC。

  3. 跨代引用（Inter-Generational References）
    • 老年代对象引用年轻代对象时，需避免每次Minor GC扫描整个老年代。
    • 解决方案：记忆集（Remembered Set）记录跨代引用（G1中每个Region维护一个RSet）。

  4. ZGC 的 NUMA 感知
    • 针对非统一内存访问（NUMA）架构优化，优先在本地内存分配对象。