9.2 垃圾回收机制

9.2.1 垃圾回收概述

垃圾回收（Garbage Collection, GC）是Java虚拟机（JVM）自动管理内存的核心机制，负责回收不再使用的对象占用的内存空间。Java开发者无需手动释放内存，这大大降低了内存泄漏和指针错误的风险。

主要功能

  • 自动内存管理：识别并回收无用对象。
  • 内存碎片整理：压缩存活对象以减少内存碎片。
  • 分代回收：针对不同生命周期的对象采用不同的回收策略。

9.2.2 垃圾回收的基本原理

对象存活性判断

  • 引用计数法（Java未采用）：通过计数引用数量判断对象是否存活，但无法解决循环引用问题。
  • 可达性分析（Java实际采用）：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。不可达的对象视为垃圾。

常见的GC Roots

  1. 虚拟机栈中引用的对象。
  2. 方法区中静态属性引用的对象。
  3. 方法区中常量引用的对象。
  4. 本地方法栈中JNI引用的对象。

9.2.3 分代收集算法

JVM将堆内存划分为不同代（Generations），针对不同代采用不同的回收策略：

1. 年轻代（Young Generation）

  • 特点：存放新创建的对象，生命周期短。
  • 回收算法：复制算法（Copying）。
    • Eden区：对象初次分配的区域。
    • Survivor区（S0/S1）：存放经过一次GC后存活的对象。
  • 触发条件：Eden区满时触发Minor GC。

2. 老年代（Old Generation）

  • 特点：存放长期存活的对象（经过多次Minor GC后仍存活）。
  • 回收算法：标记-清除（Mark-Sweep）或标记-整理（Mark-Compact）。
  • 触发条件：老年代空间不足时触发Major GC（通常伴随Full GC）。

3. 元空间（Metaspace, Java 8+）

  • 特点：替代永久代（PermGen），存放类元数据。
  • 回收条件：类加载器卸载时回收。

9.2.4 常见的垃圾收集器

JVM提供了多种垃圾收集器，适用于不同场景：

收集器作用区域算法特点
Serial年轻代复制算法单线程，适合客户端应用。
Parallel Scavenge年轻代复制算法多线程，注重吞吐量。
CMS老年代标记-清除低停顿时间，但会产生内存碎片。
G1全堆分区域标记-整理平衡吞吐量与延迟，JDK 9+默认。
ZGC全堆并发标记-整理超低停顿（<10ms），JDK 15+生产可用。

9.2.5 GC调优建议

常见问题与解决方案

  1. 频繁Full GC

    • 原因：老年代空间不足或元数据区溢出。
    • 解决：增大老年代（-Xmx）、优化对象生命周期。

  2. 长时间停顿（Stop-The-World）

    • 原因：CMS或Serial收集器的单线程阶段。
    • 解决：切换到G1或ZGC。

  3. 内存泄漏

    • 排查工具：jmap生成堆转储，通过MAT或VisualVM分析对象引用链。

常用JVM参数示例

# 设置堆大小
-Xms512m -Xmx2g  
# 使用G1收集器
-XX:+UseG1GC  
# 打印GC日志
-XX:+PrintGCDetails -Xloggc:gc.log

9.2.6 总结

垃圾回收机制是Java高效内存管理的基石，理解其原理和调优方法有助于开发高性能应用。根据应用需求选择合适的收集器，并结合监控工具持续优化，是提升系统稳定性的关键。

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