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Java 垃圾回收

news 来源：原创 2025/5/25 11:31:48

Java 垃圾回收（Garbage Collection, GC）机制是 Java 虚拟机（JVM）的核心功能之一，负责自动管理内存。以下是对其详细的解释：

一、Java 内存区域划分

Java 堆内存主要分为三个区域：

新生代（Young Generation）
- 新创建的对象优先分配在此区域。
- 分为三个部分：
  - Eden 区：对象初始分配的区域。
  - Survivor 区（S0 和 S1）：Eden 区满时，存活的对象被移至 Survivor 区。两个 Survivor 区始终有一个为空，用于复制算法。
老年代（Old Generation）
- 存放长期存活的对象（如缓存对象、静态变量引用的对象）。
- 当对象在 Survivor 区经历多次 GC 后仍存活（默认 15 次），会被晋升到老年代。
永久代 / 元空间（PermGen/Metaspace）
- 永久代（Java 7 及以前）：存储类信息、常量池等。
- 元空间（Java 8 及以后）：使用本地内存，避免永久代的内存溢出问题。

二、垃圾回收的核心概念

可达性分析（Reachability Analysis）
- 从GC Roots（如静态变量、栈帧中的引用、本地方法栈中的引用等）出发，遍历对象引用链。未被引用的对象被标记为不可达，可被回收。
引用类型
- 强引用：Object obj = new Object()，只要强引用存在，对象就不会被回收。
- 软引用（SoftReference）：内存不足时会被回收，常用于缓存。
- 弱引用（WeakReference）：下次 GC 时立即回收，如WeakHashMap。
- 虚引用（PhantomReference）：仅在对象被回收时收到通知，用于管理堆外内存。
垃圾回收算法
- 标记 - 清除（Mark-Sweep）：标记可达对象，清除未标记对象，会产生内存碎片。
- 标记 - 整理（Mark-Compact）：标记后将存活对象移动到一端，避免碎片。
- 复制（Copying）：将内存分为两块，每次只使用一块，GC 时将存活对象复制到另一块，效率高但空间利用率低。
- 分代收集（Generational Collection）：结合上述算法，新生代用复制算法，老年代用标记 - 清除或标记 - 整理。

三、对象从新生代到老年代的晋升过程

对象创建
- 新对象首先分配在 Eden 区。若 Eden 区空间不足，触发Minor GC（新生代 GC）。
第一次 Minor GC
- 存活的对象被移至Survivor 区（S0 或 S1），并将对象年龄（GC 次数）设为 1。
- Eden 区被清空。
后续 Minor GC
- 每次 Minor GC 后，存活的对象在两个 Survivor 区之间来回复制，年龄递增。
- 当对象年龄达到阈值（默认 15 次），晋升到老年代。
动态对象年龄判定
- 若 Survivor 区中相同年龄的对象大小总和超过 Survivor 区的一半，年龄大于或等于该年龄的对象直接晋升到老年代。
大对象直接进入老年代
- 超过-XX:PretenureSizeThreshold参数设置的大对象（如长数组），直接分配到老年代，避免在 Eden 区和 Survivor 区之间复制。
空间分配担保
- 老年代需确保有足够空间容纳新生代晋升的对象。若老年代空间不足，触发Full GC（整堆 GC）。

四、垃圾回收器类型

不同的垃圾回收器适用于不同场景，JVM 会根据配置和硬件自动选择：

新生代回收器
- Serial：单线程，适合客户端应用。
- ParNew：Serial 的多线程版本，与 CMS 配合使用。
- Parallel Scavenge：多线程，注重吞吐量（CPU 用于运行代码的时间比例）。
老年代回收器
- Serial Old：单线程，用于 Client 模式或与 CMS 配合。
- Parallel Old：多线程，与 Parallel Scavenge 配合，注重吞吐量。
- CMS（Concurrent Mark Sweep）：以获取最短停顿时间为目标，并发标记和清除，但会产生碎片。
- G1（Garbage-First）：分代收集，将堆划分为多个 Region，优先回收垃圾最多的区域。
- ZGC（Z Garbage Collector）：超低延迟，支持 TB 级内存，适用于大内存应用。
全区域回收器
- Shenandoah：与 G1 类似，但更注重低延迟。
- Epsilon：实验性回收器，仅分配内存，不执行 GC，用于性能测试。

五、GC 触发条件

Minor GC：Eden 区空间不足时触发。
Full GC：
- 老年代空间不足（如晋升对象大小超过老年代剩余空间）。
- 元空间 / 永久代满（如动态加载大量类）。
- 显式调用System.gc()（可能被 JVM 忽略）。
- CMS GC 时并发模式失败（Concurrent Mode Failure）。

六、GC 性能调优要点

监控工具
- jstat：查看 GC 统计信息。
- jmap：生成堆转储文件。
- jhat/MAT：分析堆转储文件。
- G1GCViewer/GCeasy：可视化 GC 日志。
常用参数
- -Xms/-Xmx：初始 / 最大堆内存。
- -Xmn：新生代大小。
- -XX:SurvivorRatio：Eden 区与 Survivor 区的比例。
- -XX:MaxTenuringThreshold：晋升老年代的年龄阈值。
- -XX:+UseG1GC：启用 G1 回收器。
优化方向
- 减少 Full GC 频率，避免大对象和内存泄漏。
- 根据应用特性选择回收器（如 Web 应用优先用 CMS/G1，科学计算优先用 Parallel）。
- 调整新生代大小，平衡 Minor GC 和晋升频率。

七、示例：对象晋升流程

假设 JVM 配置为：

堆内存：2GB
新生代：512MB（Eden: 400MB，S0: 56MB，S1: 56MB）
老年代：1.5GB
晋升阈值：15 次

流程：

新对象（100MB）分配在 Eden 区。
Eden 区占满 400MB 时，触发 Minor GC。
存活的对象（200MB）被复制到 S0，对象年龄设为 1。
下次 Minor GC 时，Eden 区和 S0 的存活对象（150MB）被复制到 S1，年龄 + 1。
当对象年龄达到 15 次，或 Survivor 区空间不足时，对象晋升到老年代。

面试题

1. 什么是 Java 垃圾回收机制？为什么需要它？

Java GC 是一种自动内存管理机制，由 JVM 负责回收不再使用的对象占用的内存。它的主要作用是：

避免手动内存管理导致的内存泄漏和悬空指针问题。
提高开发效率，让程序员专注于业务逻辑。
通过分代回收和内存整理，优化内存利用率。

2. 如何判断一个对象是否可以被回收？

JVM 使用 ** 可达性分析（Reachability Analysis）** 算法：

从 GC Roots（如静态变量、栈帧中的引用、本地方法栈中的引用等）出发，遍历对象引用链。
不可达的对象被标记为可回收（如无任何引用指向的对象）。
引用类型（强、软、弱、虚）会影响对象的回收优先级。

3. 简述 Java 堆内存的分区及各区域的特点。

Java 堆分为：

新生代（Young Generation）：
- 新对象优先分配在此区域，分为 Eden 区和两个 Survivor 区（S0、S1）。
- 频繁触发 Minor GC，使用复制算法。
老年代（Old Generation）：
- 存放长期存活的对象（如经历多次 Minor GC 后仍存活的对象）。
- 触发 Full GC 的频率较低，使用标记 - 清除或标记 - 整理算法。
元空间 / 永久代（Metaspace/PermGen）：
- 存储类信息、常量池等，Java 8 后使用元空间（本地内存）替代永久代。

4. 对象从新生代到老年代的晋升过程是怎样的？

对象创建：新对象分配在 Eden 区。
Minor GC：Eden 区满时触发，存活对象移至 Survivor 区（如 S0），年龄设为 1。
后续 GC：每次 GC 后存活对象在 Survivor 区之间复制，年龄递增。
晋升条件：
- 对象年龄达到阈值（默认 15 次）。
- 动态年龄判定：相同年龄对象总和超过 Survivor 区一半，大于等于该年龄的对象直接晋升。
- 大对象（超过PretenureSizeThreshold）直接进入老年代。

5. 什么是 Minor GC、Major GC 和 Full GC？

Minor GC（新生代 GC）：清理新生代，触发频繁，速度快。
Major GC（老年代 GC）：清理老年代，通常伴随至少一次 Minor GC。
Full GC（整堆 GC）：清理整个堆（新生代、老年代、元空间），触发条件包括：
- 老年代空间不足。
- 元空间满。
- 显式调用System.gc()。
- CMS GC 时并发模式失败。

6. 常见的垃圾回收器有哪些？简述其特点。

新生代回收器：
- Serial：单线程，适合客户端应用。
- ParNew：Serial 的多线程版本，与 CMS 配合。
- Parallel Scavenge：多线程，注重吞吐量。
老年代回收器：
- Serial Old：单线程，用于 Client 模式或与 CMS 配合。
- Parallel Old：多线程，与 Parallel Scavenge 配合。
- CMS：以低停顿为目标，并发标记和清除，会产生碎片。
- G1：分代收集，将堆划分为 Region，优先回收垃圾最多的区域。
全区域回收器：
- ZGC：超低延迟，支持 TB 级内存。

7. CMS 和 G1 垃圾回收器的区别是什么？

特性	CMS	G1
回收区域	仅针对老年代	全堆（分 Region）
算法	标记 - 清除（会产生碎片）	标记 - 整理（减少碎片）
停顿时间	低停顿，并发标记和清除	可预测的停顿，优先回收价值高的 Region
适用场景	响应时间敏感的 Web 应用	大内存、多 CPU 的服务器应用
内存布局	连续的老年代空间	划分为多个大小相等的 Region

8. 什么是内存泄漏？如何排查？
内存泄漏：对象不再使用，但 GC 无法回收其占用的内存（如静态集合持有对象引用、未关闭的资源等）。
排查方法：

工具：使用jstat、jmap生成堆转储文件，通过MAT或jhat分析。
步骤：
- 监控内存使用趋势（持续增长可能存在泄漏）。
- 对比不同时间点的堆转储文件，找出增长异常的类。
- 检查对象引用链，确定泄漏原因（如静态集合、单例持有对象）。

9. 如何优化 Java GC 性能？

选择合适的回收器：
- Web 应用：CMS/G1（低延迟）。
- 科学计算：Parallel（高吞吐量）。
调整堆大小：
- -Xms/-Xmx设置相同值，避免动态扩展。
- 合理分配新生代和老年代比例（如新生代占 1/3 堆内存）。
减少 Full GC：
- 避免大对象直接进入老年代。
- 控制对象晋升阈值，减少老年代压力。
监控与分析：
- 启用 GC 日志，使用工具（如 GCeasy）分析停顿时间和频率。

10. 什么是 OOM（OutOfMemoryError）？常见原因有哪些？
OOM：JVM 无法分配新内存且 GC 无法回收足够空间时抛出的错误。
常见原因：

堆内存不足（-Xmx设置过小或内存泄漏）。
元空间 / 永久代满（动态加载大量类，如框架反射）。
线程创建过多（每个线程占用栈空间）。
直接内存溢出（如 NIO 使用ByteBuffer.allocateDirect()）。

11. 简述 GC Roots 的类型。

GC Roots 是可达性分析的起始点，包括：

虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）：方法执行时创建的局部变量。
方法区中的类静态属性引用的对象：如static Object obj。
方法区中的常量引用的对象：如字符串常量池中的引用。
本地方法栈中 JNI（Native 方法）引用的对象。

12. 如何理解 “Stop The World”？
Stop The World（STW）：GC 执行时，JVM 暂停所有用户线程的现象。

原因：为确保对象引用关系在分析期间不变，需暂停用户线程。
影响：高并发场景下可能导致系统响应卡顿。
优化：使用并发回收器（如 CMS、G1、ZGC）减少 STW 时间。

13. 简述 G1 回收器的工作流程。
G1 将堆划分为多个大小相等的 Region，工作流程：

初始标记（Initial Mark）：STW，标记 GC Roots 直接关联的对象。
并发标记（Concurrent Marking）：与用户线程并发执行，遍历对象图。
最终标记（Final Mark）：STW，修正并发标记期间的变动。
筛选回收（Live Data Counting and Evacuation）：
- 计算各 Region 的回收价值，优先回收垃圾最多的 Region。
- 使用复制算法，将存活对象移至新 Region，减少碎片。

14. `-XX:+UseConcMarkSweepGC`和`-XX:+UseG1GC`的区别是什么？

-XX:+UseConcMarkSweepGC：启用 CMS 回收器，适用于老年代，以低停顿为目标，采用并发标记 - 清除算法，但会产生内存碎片，可能触发 Full GC。
-XX:+UseG1GC：启用 G1 回收器，全堆回收，将堆划分为 Region，优先回收价值高的区域，可预测停顿时间，适合大内存应用。

15. 如何监控 Java GC？

命令行工具：
- jstat -gc <pid> <interval>：查看 GC 统计信息。
- jmap -heap <pid>：查看堆内存使用情况。
- jcmd <pid> GC.heap_dump：生成堆转储文件。
可视化工具：
- VisualVM、Java Mission Control（JMC）、GCeasy（分析 GC 日志）。
GC 日志：
- 添加 JVM 参数-XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCTimeStamps记录 GC 信息。