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JVM 垃圾回收（GC）笔记

news 2025/7/1 12:31:34

一、为什么需要垃圾回收（GC）

Java 程序运行过程中会不断创建对象，堆内存有限。
无法被引用的对象占用空间，如果不释放，会导致 内存泄漏或内存溢出（OOM）。
手动管理内存易出错，Java 引入自动垃圾回收机制。

二、JVM 中的内存区域（重点）

区域	说明
程序计数器	每个线程私有，记录字节码执行位置
虚拟机栈	每个线程私有，保存局部变量表
本地方法栈	调用 native 方法时使用
堆（Heap）	所有线程共享，垃圾收集的主要区域，保存对象实例
方法区（元空间）	保存类信息、常量、静态变量等

三、如何判断对象是否可以被回收？

引用计数法（Reference Counting）

每个对象维护一个引用计数器；
计数为 0 → 可回收；
缺陷：无法处理循环引用。

可达性分析法（Reachability Analysis）（Java 使用）

从 GC Root 出发向外遍历：
- 方法区静态变量
- 方法栈局部变量
- JNI 引用
如果一个对象无法从 GC Root 访问到，则被判定为不可达 → 可回收对象。

四、对象的生命周期与回收区域

区域	描述
新生代（Young Generation）	包括 Eden + 两个 Survivor 区域（S0、S1）
老年代（Old Generation）	存放长时间存活的对象
元空间（Metaspace）	Java 8 后替代永久代，存类元数据

五、常见垃圾回收算法

复制算法（Copying）

应用于新生代；
将 Eden 中的存活对象复制到 Survivor 区；
一般为 Eden + From（S0）+ To（S1）：
- 每次使用其中两个，另一个为空；
优点：没有碎片，效率高；
缺点：内存浪费严重（只用了一半）。

标记-清除算法（Mark-Sweep）

应用于老年代；
第一步：标记可达对象；
第二步：清除未被标记对象；
缺点：
- 产生内存碎片；
- 清除速度慢。

标记-压缩（整理）算法（Mark-Compact）

是标记清除的改进；
标记完后把存活对象压缩到一端，释放内存；
避免内存碎片问题，适用于老年代。

分代收集（Generational GC）

新生代使用复制算法，老年代使用标记清除或压缩算法；
理由：
- 大多数对象“朝生夕死”，适合复制算法；
- 老年代对象存活率高，复制开销大，适合标记压缩。

六、常见垃圾收集器

收集器名称	作用区域	特点
Serial	新生代	单线程，Stop-The-World，适合单核/小应用
ParNew	新生代	Serial 的多线程版本
Parallel Scavenge	新生代	吞吐量优先，适合后台批处理系统
CMS（已废弃）	老年代	并发收集、低停顿，但容易产生碎片
Serial Old	老年代	Serial 的老年代版本
Parallel Old	老年代	Parallel 的老年代版本
G1（推荐）	新+老	面向服务端，低延迟、可预测停顿
ZGC / Shenandoah	新+老	超低延迟，适合超大内存（100GB+）应用

七、GC 类型与触发时机

GC 类型	触发时机	回收区域	使用算法
Minor GC	新生代满	新生代	复制算法
Major GC	老年代满	老年代	标记-压缩
Full GC	整体内存压力高、元空间满、System.gc()	新生代 + 老年代 + 元空间	综合算法

八、如何选择垃圾收集器？

单核、资源紧张、客户端程序：

使用 Serial + Serial Old

多核、后台任务型应用、对吞吐量要求高：

使用 Parallel Scavenge + Parallel Old

用户体验要求高、低延迟应用：

使用 G1（JDK9 后默认）、ZGC、Shenandoah

九、G1 收集器简要说明（面试重点）

将堆划分为多个 Region；
并发执行 Mark 阶段，减少 STW；
优先回收垃圾最多的 Region（Garbage First）；
可通过 -XX:MaxGCPauseMillis 控制最大停顿时间；
对大内存友好，JDK9+ 推荐默认使用。

十、调试与配置常用参数

# 查看 GC 日志（JDK8）
-XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCDateStamps -Xloggc:gc.log# 设置新生代大小
-Xmn256m# 设置堆最大/最小值
-Xms512m -Xmx512m# 使用 G1 收集器
-XX:+UseG1GC# 控制最大 GC 停顿时间
-XX:MaxGCPauseMillis=200

十一、垃圾回收相关工具

工具名称	说明
`jstat`	查看 JVM 各种运行指标（GC、类加载、堆等）
`jvisualvm`	图形化 JVM 监控工具
`jconsole`	图形化管理工具，可连远程
`GCViewer`	分析 GC 日志
`MAT`（Memory Analyzer Tool）	堆内存分析工具，找内存泄漏

十二、面试高频问题总结

Q1：对象从新生代晋升到老年代的条件？

经历 -XX:MaxTenuringThreshold 次 GC；
Survivor 区放不下时，直接进入老年代；
Survivor 区年龄分布达到阈值，提前晋升。

Q2：Minor GC 和 Full GC 有什么区别？

Minor GC 只回收新生代，频率高，速度快；
Full GC 回收整个堆（新生代 + 老年代 + 元空间），频率低，STW 时间长，影响性能。

Q3：如何判断是否发生内存泄漏？

GC 后对象仍然没有被释放；
使用 jmap + MAT 工具分析对象引用链。

总结

JVM 垃圾回收的核心是“分代 + 区域 + 策略”，通过合适的算法（复制、标记清除、压缩）和收集器（如 G1、ZGC）实现不同场景下的高效内存管理，是高性能 Java 应用的保障。

十三、三色标记法（Tri-Color Marking）

三色标记法是什么？

三色标记法 是现代垃圾回收器中用于并发标记阶段的一种对象可达性追踪算法。其核心目的是在应用线程运行过程中，仍能安全、准确地标记存活对象，避免漏标或误回收。

它被广泛应用于：

CMS
G1
ZGC
Shenandoah 等收集器的并发 GC 实现中

三种颜色含义

颜色	状态说明
白色	初始状态，表示对象未被访问；最终仍为白的对象将被回收
灰色	对象已被访问，但其引用的其他对象尚未全部扫描完毕
黑色	对象已访问完毕，自身和引用对象都已处理，判定为存活

在这里插入图片描述

标记流程

所有对象初始为白色；
GC Root 集合作为入口，加入灰色集合；
循环处理灰色对象：
- 标记为黑；
- 扫描其引用的白色对象 → 转为灰色；
灰色集合为空后：
- 剩余未访问的白色对象即为不可达对象 → 回收。

并发 GC 中的“漏标”问题

在并发标记时，用户线程仍在运行，可能会导致以下情况：

对象 A 被标记为黑；
A 指向对象 B（白色）；
此时用户线程将 A → B 的引用断开，并把 C（灰）指向 B；
后续 GC 先处理了 A（黑），再处理 C（灰）时不再追踪 B；
B 由于“断开”后未再被扫描，最终仍为白色 → 被错误回收（漏标）！

解决办法

现代 GC 通常通过以下机制解决漏标问题：

技术	描述说明
增量更新（Incremental Update）	当黑对象新增引用白对象时，重新将白对象置为灰色，等待重新扫描
SATB（Snapshot At The Beginning）	保留标记开始时的对象引用快照，即使中途引用断了，也按初始快照追踪对象存活性