垃圾回收（Garbage Collection, GC）是 Java 虚拟机（JVM）自动管理内存的机制，用于回收不再使用的对象，释放内存空间。

GC 的作用

• 自动内存管理：开发者无需手动释放内存，避免了内存泄漏和悬空指针等问题。
• 回收无用对象：GC 会识别并回收不再被引用的对象（即垃圾对象）。
• 内存整理：某些 GC 算法会整理内存，减少内存碎片。

GC 的基本原理

• 可达性分析：
  • JVM 通过可达性分析算法判断对象是否存活。
  • 从 GC Roots（如栈帧中的局部变量、静态变量等）出发，遍历对象引用链，未被引用的对象即为垃圾。
• 分代收集：
  • JVM 将堆内存分为年轻代（Young Generation）、老年代（Old Generation）和元空间（Metaspace，Java 8+）。
  • 不同区域使用不同的 GC 算法。

堆内存的分代

• 年轻代（Young Generation）：
  • 存放新创建的对象。
  • 分为 Eden 区和两个 Survivor 区（S0 和 S1）。
  • 使用 Minor GC（年轻代 GC）回收。
• 老年代（Old Generation）：
  • 存放长期存活的对象。
  • 使用 Major GC（老年代 GC）或 Full GC（整堆 GC）回收。
• 元空间（Metaspace）：
  • 存放类的元数据（如类信息、方法信息等）。
  • 在 Java 8 中取代了永久代（PermGen）。

GC 算法

JVM 实现了多种 GC 算法，适用于不同的场景。

• 标记-清除（Mark-Sweep）：
  • 标记所有可达对象，清除未标记的对象。
  • 缺点：会产生内存碎片。
• 标记-整理（Mark-Compact）：
  • 标记所有可达对象，将存活对象整理到内存的一端。
  • 优点：减少内存碎片。
• 复制算法（Copying）：
  • 将内存分为两块，每次只使用一块，存活对象复制到另一块。
  • 优点：无内存碎片；缺点：内存利用率低。
• 分代收集（Generational）：
  • 结合多种算法，年轻代使用复制算法，老年代使用标记-清除或标记-整理。

常见的垃圾回收器

JVM 提供了多种垃圾回收器，适用于不同的场景。

• Serial GC：
  • 单线程垃圾回收器，适用于单核 CPU 或小型应用。
  • 参数：-XX:+UseSerialGC
• Parallel GC（吞吐量优先）：
  • 多线程垃圾回收器，适用于多核 CPU 和高吞吐量场景。
  • 参数：-XX:+UseParallelGC
• CMS GC（Concurrent Mark-Sweep）：
  • 并发垃圾回收器，减少停顿时间，适用于低延迟场景。
  • 参数：-XX:+UseConcMarkSweepGC（Java 9 开始已弃用）
• G1 GC（Garbage-First）：
  • 面向服务端应用的垃圾回收器，平衡吞吐量和延迟。
  • 参数：-XX:+UseG1GC
• ZGC（Z Garbage Collector）：
  • 低延迟垃圾回收器，适用于大内存和低延迟场景（Java 11+）。
  • 参数：-XX:+UseZGC
• Shenandoah GC：
  • 低延迟垃圾回收器，与 ZGC 类似（Java 12+）。
  • 参数：-XX:+UseShenandoahGC

GC 的触发条件

• Minor GC：
  • 当年轻代的 Eden 区满时触发。
• Major GC / Full GC：
  • 当老年代空间不足时触发。
  • 当元空间不足时触发。
  • 当调用 System.gc() 时（不推荐手动触发）。

GC 的性能指标

• 吞吐量（Throughput）：
  • 应用程序运行时间占总时间的比例。
• 停顿时间（Pause Time）：
  • GC 过程中应用程序暂停的时间。
• 内存占用（Footprint）：
  • JVM 占用的内存大小。

总结

• GC 是 JVM 自动管理内存的核心机制。
• 不同的垃圾回收器和算法适用于不同的场景。
• 通过合理配置和调优，可以提升应用程序的性能和稳定性。
• 监控和分析 GC 日志是优化内存使用的重要手段。