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深入理解Java垃圾回收机制

news 来源：原创 2025/5/5 16:27:03

在 Java 开发领域，垃圾回收机制（Garbage Collection, GC）是保障程序高效、稳定运行的重要底层技术。它自动管理内存的分配与回收，让开发者无需手动处理内存释放，极大降低了内存泄漏和内存溢出的风险。本文将从垃圾回收的基本概念、关键技术、垃圾回收器以及性能优化等方面，全面深入地解析 Java 的垃圾回收机制。

一、垃圾回收机制概述

1.1 什么是垃圾回收

垃圾回收是 Java 虚拟机（JVM）自动释放不再使用的内存空间的过程。在 Java 程序运行时，对象被创建并分配内存，当这些对象不再被引用时，就成为 “垃圾”，需要被回收，以释放内存供其他对象使用。

1.2 为什么需要垃圾回收

在早期的编程语言（如 C/C++）中，开发者需要手动管理内存，这不仅容易出错，还会导致内存泄漏（忘记释放已分配的内存）和内存溢出（申请的内存超过系统可用内存）等问题。Java 通过垃圾回收机制，实现了内存的自动管理，提高了开发效率和程序的稳定性。

1.3 垃圾回收的作用范围

垃圾回收主要针对 Java 堆内存，堆是存放对象实例的地方。而栈内存主要用于存储局部变量和方法调用，其内存分配和释放由编译器自动管理，无需垃圾回收参与。

二、垃圾回收的关键技术

2.1 判断对象是否存活

要回收垃圾，首先需要确定哪些对象是不再使用的。Java 中判断对象是否存活主要有两种方法：引用计数法和可达性分析算法。

2.1.1 引用计数法

引用计数法是一种简单的算法，给每个对象添加一个引用计数器。当有地方引用该对象时，计数器加 1；当引用失效时，计数器减 1。当计数器为 0 时，说明该对象不再被任何地方引用，可以被回收。

然而，引用计数法存在一个严重的缺陷：无法处理循环引用的情况。例如，对象 A 和对象 B 相互引用，而它们都不再被其他对象引用，此时它们的引用计数器都不为 0，但实际上它们都是垃圾对象，引用计数法无法检测到这种情况，导致内存泄漏。因此，Java 虚拟机并没有采用引用计数法来判断对象是否存活。

2.1.2 可达性分析算法

可达性分析算法是目前 Java 虚拟机普遍采用的方法。该算法以一系列被称为 “GC Roots” 的对象作为起始点，从这些起始点开始向下搜索，搜索所经过的路径称为引用链（Reference Chain）。如果一个对象到 GC Roots 没有任何引用链相连（即该对象无法被 GC Roots 访问到），则说明该对象是不可达的，即可以被回收的垃圾对象。

在 Java 中，可作为 GC Roots 的对象包括：

虚拟机栈（栈帧中的局部变量表）中引用的对象；
方法区中类静态属性引用的对象；
方法区中常量引用的对象；
本地方法栈（本地方法）中引用的对象。

2.2 引用类型

在 Java 中，对象的引用类型分为强引用、软引用、弱引用和虚引用四种，它们的强度依次减弱，垃圾回收对它们的处理方式也不同。

2.2.1 强引用（Strong Reference）

强引用是最常见的引用类型，如 “Object obj = new Object ();” 中 obj 就是一个强引用。只要强引用存在，对象就不会被垃圾回收器回收。即使内存不足导致 OOM（Out Of Memory）错误，强引用对象也不会被回收。

2.2.2 软引用（Soft Reference）

软引用通过 SoftReference 类实现，它引用的对象只有在内存不足时才会被回收。软引用通常用于实现缓存，当内存足够时，缓存对象可以被保留；当内存不足时，缓存对象会被回收，以避免内存溢出。

2.2.3 弱引用（Weak Reference）

弱引用通过 WeakReference 类实现，它引用的对象在垃圾回收器线程扫描到它们时，就会被回收，无论当前内存是否充足。弱引用常用于实现非必需对象的引用，例如哈希表中的弱键。

2.2.4 虚引用（Phantom Reference）

虚引用也称为幽灵引用或幻影引用，通过 PhantomReference 类实现。虚引用对对象的生存周期没有任何影响，它的主要作用是在对象被回收时收到一个通知。虚引用必须和引用队列（ReferenceQueue）一起使用。

2.3 垃圾回收算法

确定了哪些对象是垃圾后，就需要采用合适的算法来回收这些垃圾。常见的垃圾回收算法如下：

2.3.1 标记-清除算法（Mark-Sweep）

标记-清除算法是最基础的垃圾回收算法，分为标记和清除两个阶段。首先，标记出所有需要回收的对象；然后，统一回收所有被标记的对象。
该算法的优点是实现简单，不需要进行对象的移动。缺点是效率较低，标记和清除两个阶段的效率都不高；而且会产生大量的内存碎片，导致后续分配大内存对象时，可能因为无法找到足够的连续内存而不得不提前触发垃圾回收。

2.3.2 复制算法（Copying）

复制算法将内存划分为两个大小相等的区域，每次只使用其中一个区域。当该区域的内存用完时，就将存活的对象复制到另一个区域，然后将原来的区域一次性清理掉。
复制算法的优点是效率高，只需要复制存活对象，且不会产生内存碎片。缺点是内存利用率低，只能使用一半的内存空间。复制算法适用于对象存活率较低的场景，如新生代。

2.3.3 标记-整理算法（Mark-Compact）

标记 - 整理算法结合了标记 - 清除算法和复制算法的优点。首先标记出所有需要回收的对象，然后将存活的对象移动到内存的一端，最后清理掉边界以外的内存。
该算法的优点是避免了内存碎片的产生，提高了内存的利用率。缺点是需要移动存活对象，在对象存活率较高时，移动对象的成本较高。标记 - 整理算法适用于对象存活率较高的场景，如老年代。

2.3.4 分代收集算法（Generational Collection）

分代收集算法是目前 Java 虚拟机普遍采用的垃圾回收算法，它根据对象的存活周期将内存划分为新生代、老年代和永久代（在 Java 8 及以后，永久代被元空间取代），针对不同代的特点采用不同的垃圾回收算法。

新生代：新生代中的对象存活周期较短，大部分对象在创建后很快就会被回收。因此，新生代采用复制算法，将内存分为一个 Eden 区和两个 Survivor 区（From Survivor 和 To Survivor）。每次分配内存时，优先在 Eden 区分配，当 Eden 区满时，触发 Minor GC，将存活的对象复制到 To Survivor 区，然后清空 Eden 区和 From Survivor 区。下次 Minor GC 时，将 Eden 区和 From Survivor 区（此时是上次的 To Survivor 区）的存活对象复制到新的 To Survivor 区，如此反复。当对象在 Survivor 区中经过一定次数的 GC 后仍然存活，就会被晋升到老年代。
老年代：老年代中的对象存活周期较长，存活率较高。因此，老年代采用标记 - 整理算法或标记 - 清除算法。当老年代内存不足时，触发 Major GC（Full GC），对老年代进行垃圾回收。
永久代（元空间）：永久代主要存放类信息、常量、静态变量等数据。在 Java 8 及以后，永久代被元空间取代，元空间使用本地内存，其垃圾回收主要与类的卸载和常量池的回收有关。

三、垃圾回收器

垃圾回收器是垃圾回收算法的具体实现，Java 虚拟机提供了多种垃圾回收器，以适应不同的应用场景。下面介绍几种常见的垃圾回收器。

3.1 Serial 垃圾回收器

Serial 垃圾回收器是最古老的垃圾回收器，它是单线程的，在进行垃圾回收时，会暂停所有的用户线程（Stop The World）。Serial 垃圾回收器适用于新生代，采用复制算法；也可以用于老年代，采用标记 - 整理算法。
Serial 垃圾回收器的优点是简单高效，由于没有多线程的开销，在单线程环境下或对吞吐量要求不高的小应用中表现较好。缺点是会导致用户线程暂停，影响应用的响应时间。

3.2 ParNew 垃圾回收器

ParNew 垃圾回收器是 Serial 垃圾回收器的多线程版本，它在新生代使用多线程进行垃圾回收，老年代仍然可以配合 Serial Old 垃圾回收器使用。ParNew 垃圾回收器的出现主要是为了在多 CPU 环境下提高垃圾回收的效率。
ParNew 垃圾回收器的优点是多线程并行回收，提高了垃圾回收的速度。缺点是仍然会暂停用户线程，且在单 CPU 环境下，由于线程切换的开销，性能可能不如 Serial 垃圾回收器。

3.3 Parallel Scavenge 垃圾回收器

Parallel Scavenge 垃圾回收器也是一种适用于新生代的多线程垃圾回收器，它的目标是最大化吞吐量（吞吐量 = 运行用户代码的时间 /(运行用户代码的时间 + 垃圾回收的时间)）。Parallel Scavenge 垃圾回收器可以通过参数控制吞吐量和停顿时间，适合在后台处理任务等对吞吐量要求较高的场景。

3.4 Serial Old 垃圾回收器

Serial Old 垃圾回收器是 Serial 垃圾回收器的老年代版本，单线程，采用标记 - 整理算法。它主要用于与新生代的 Serial 或 Parallel Scavenge 垃圾回收器配合使用，作为老年代的垃圾回收器。

3.5 Parallel Old 垃圾回收器

Parallel Old 垃圾回收器是 Parallel Scavenge 垃圾回收器的老年代版本，多线程，采用标记 - 整理算法。它与 Parallel Scavenge 垃圾回收器配合使用，在多 CPU 环境下提供更好的吞吐量。

3.6 CMS 垃圾回收器（Concurrent Mark Sweep）

CMS 垃圾回收器是一种以获取最短停顿时间为目标的垃圾回收器，适用于对响应时间要求较高的应用，如 Web 服务器。CMS 垃圾回收器基于标记 - 清除算法，分为以下四个阶段：

初始标记（Initial Mark）：暂停用户线程，标记 GC Roots 直接引用的对象，耗时较短。
并发标记（Concurrent Mark）：与用户线程并发执行，标记从 GC Roots 开始可达的对象，耗时较长。
重新标记（Remark）：暂停用户线程，处理并发标记阶段因用户线程运行而导致的引用关系变化，确保标记的准确性，耗时比初始标记长，但比并发标记短。
并发清除（Concurrent Sweep）：与用户线程并发执行，清除标记的垃圾对象，耗时较长。

CMS 垃圾回收器的优点是并发执行，减少了用户线程的停顿时间。缺点是会产生内存碎片，需要更多的内存空间；而且在并发清除阶段，可能会有新的垃圾产生（浮动垃圾），需要等到下一次垃圾回收时处理。

3.7 G1 垃圾回收器（Garbage-First）

G1 垃圾回收器是 Java 7 引入的一种全新的垃圾回收器，它旨在解决 CMS 垃圾回收器的内存碎片和浮动垃圾等问题，同时提供更好的停顿时间控制。G1 垃圾回收器将堆内存划分为多个大小相等的 Region，每个 Region 可以扮演 Eden 区、Survivor 区或老年代的角色。G1 垃圾回收器的工作流程如下：

初始标记（Initial Mark）：暂停用户线程，标记 GC Roots 直接引用的对象，同时修改 TAMS（Top at Mark Start）值，让下一阶段用户线程运行时，能在正确的 Region 中分配内存。
并发标记（Concurrent Mark）：与用户线程并发执行，从 GC Roots 开始标记可达的对象，记录对象图的变化。
最终标记（Final Mark）：暂停用户线程，处理并发标记阶段遗留的少量 SATB（Snapshot At The Beginning）记录的增量更新数据，确保标记的完整性。
筛选回收（Live Data Counting and Evacuation）：计算每个 Region 中存活对象的空间大小和回收收益，根据用户设置的停顿时间目标，选择收益最大的 Region 进行回收，采用复制算法将存活对象复制到其他 Region，避免内存碎片。

G1 垃圾回收器的优点是可以预测停顿时间，通过控制回收的 Region 数量来实现；采用分区管理，减少了内存碎片；同时支持并发和并行回收，提高了垃圾回收的效率。缺点是实现复杂，内存占用和 CPU 开销较大，适用于大内存、多 CPU 的服务器环境。

四、垃圾回收机制的性能优化

4.1 监控工具

为了优化垃圾回收机制，首先需要了解垃圾回收的运行情况。Java 提供了多种监控工具，如：

jps（Java Virtual Machine Process Status Tool）：查看当前运行的 Java 进程。
jstat（Java Statistical Monitoring Tool）：用于监控 JVM 的各种性能指标，如垃圾回收的次数、时间、堆内存使用情况等。
jconsole：图形化的监控工具，可以监控 JVM 的内存、线程、类等信息。
VisualVM：功能更强大的图形化工具，支持插件扩展，可以进行性能分析和内存分析等。

4.2 优化目标

根据应用的不同需求，垃圾回收的优化目标可以分为以下几种：

最小化停顿时间：适用于对响应时间要求高的应用，如 Web 服务器，可选择 CMS 或 G1 垃圾回收器。
最大化吞吐量：适用于对吞吐量要求高的后台处理任务，可选择 Parallel Scavenge 和 Parallel Old 垃圾回收器。
合理利用内存：避免内存泄漏和内存溢出，合理设置堆内存大小。

4.3 优化参数

通过调整 JVM 的垃圾回收相关参数，可以优化垃圾回收的性能。以下是一些常用的参数：

-Xms：设置堆内存的初始大小。
-Xmx：设置堆内存的最大大小。
-Xmn：设置新生代的大小（在 G1 垃圾回收器中不适用）。
-XX:SurvivorRatio：设置 Eden 区和 Survivor 区的比例，默认是 8:1，即 Eden 区占 80%，每个 Survivor 区占 10%。
-XX:MaxTenuringThreshold：设置对象晋升到老年代的年龄阈值，默认是 15 次 GC。
-XX:+UseSerialGC：启用 Serial 垃圾回收器（新生代和老年代都使用 Serial）。
-XX:+UseParNewGC：启用 ParNew 垃圾回收器（新生代使用 ParNew，老年代使用 Serial Old）。
-XX:+UseParallelGC：启用 Parallel Scavenge 垃圾回收器（新生代使用 Parallel Scavenge，老年代使用 Parallel Old）。
-XX:+UseConcMarkSweepGC：启用 CMS 垃圾回收器（新生代使用 ParNew，老年代使用 CMS）。
-XX:+UseG1GC：启用 G1 垃圾回收器。

4.4 优化建议

合理设置堆内存大小：根据应用的内存需求，设置合适的堆初始大小（-Xms）和最大大小（-Xmx），避免频繁的 GC 和内存不足。

选择合适的垃圾回收器：根据应用的特点和优化目标，选择合适的垃圾回收器。例如，Web 应用可以选择 CMS 或 G1 垃圾回收器，以减少停顿时间；后台批处理任务可以选择 Parallel Scavenge 和 Parallel Old 垃圾回收器，以提高吞吐量。
避免内存泄漏：及时释放不再使用的对象引用，特别是集合类对象和资源对象（如文件句柄、数据库连接等），避免因对象无法被回收而导致内存泄漏。
减少对象创建：在循环中尽量避免创建临时对象，减少新生代的垃圾回收压力。
分析垃圾回收日志：通过垃圾回收日志（可以通过 - XX:+PrintGCDetails 等参数开启），分析 GC 的频率、停顿时间和内存使用情况，找出性能瓶颈并进行优化。

五、总结

Java 的垃圾回收机制是 Java 语言的重要特性之一，它通过自动管理内存，提高了开发效率和程序的稳定性。深入理解垃圾回收的关键技术（如对象存活判断、引用类型、垃圾回收算法）和垃圾回收器的特点，能够帮助开发者根据应用的需求选择合适的垃圾回收策略，并进行性能优化。随着 Java 技术的不断发展，垃圾回收机制也在不断改进，如 G1 垃圾回收器的出现，为大内存、低停顿的应用场景提供了更好的解决方案。未来，Java 垃圾回收机制将继续朝着更高效、更智能的方向发展，以满足不断变化的应用需求。