Java 垃圾回收机制（GC算法、GC收集器如G1、CMS）的必会知识点汇总

🧠 一、GC基础概念

1. 什么是垃圾回收（Garbage Collection, GC）？

• 作用：自动管理内存，回收不再使用的对象，防止内存泄漏和溢出。
• 核心问题：
  （1） 如何判断对象是垃圾？
  （2）如何高效回收垃圾？

2. 判断对象是否为垃圾的方法

方法	说明
引用计数法	每个对象维护一个引用计数器，引用增加时计数+1，引用失效时-1。无法解决循环引用问题。
可达性分析法	从GC Roots出发，不可达的对象判定为垃圾。GC Roots包括：虚拟机栈中的局部变量、类静态属性引用、常量引用、JNI引用。

🧩 二、GC核心算法

1. 标记-清除算法（Mark-Sweep）

• 步骤：
  （1）标记：从GC Roots出发，标记所有存活对象。
  （2）清除：回收未被标记的对象。
• 缺点：
  （1）产生内存碎片（可能导致大对象分配失败）。
  （2）标记和清除效率较低。

2. 标记-整理算法（Mark-Compact）

• 步骤：
  （1）标记：同标记-清除。
  （2）整理：将存活对象向一端移动，清理边界外内存。
• 优点：避免内存碎片。
• 缺点：移动对象需要暂停所有线程（Stop-The-World）。

3. 复制算法（Copying）

• 步骤：
  （1）将内存分为两块，每次只用一块。
  （2）回收时，将存活对象复制到另一块，清空原区域。
• 优点：高效，无内存碎片。
• 缺点：内存利用率低（只使用一半）。

4. 分代收集算法（Generational Collection）

• 思想：将堆内存划分为新生代（Young Generation）和老年代（Old Generation）。
• 新生代：对象生命周期短，使用复制算法。
• 老年代：对象生命周期长，使用标记-清除或标记-整理。

📌 三、主流垃圾收集器

1. Serial 收集器（串行）

• 特点：单线程，适用于单核CPU或小内存场景。
• 使用场景：Client模式（如桌面应用）。
• 命令行参数：
  -XX:+UseSerialGC

2. Parallel Scavenge 收集器（并行）

• 特点：多线程，关注吞吐量（吞吐优先）。
• 使用场景：后台计算任务（如批量处理）。
• 命令行参数：
  -XX:+UseParallelGC

3. CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器（并发）

• 目标：以最短停顿时间为目标，适合高并发、低延迟的Web应用。
• 回收步骤：
  （1）初始标记（Initial Mark）：暂停所有线程，标记GC Roots直接关联的对象。
  （2）并发标记（Concurrent Mark）：并发标记所有存活对象。
  （3）重新标记（Remark）：暂停线程，处理并发标记期间新增的对象。
  （4）并发清除（Concurrent Sweep）：并发清除垃圾对象。
• 优点：低停顿时间。
• 缺点：
  （1）内存碎片化（可能导致Full GC）。
  （2）对CPU资源敏感。
• 命令行参数：
  -XX:+UseConcMarkSweepGC

4. G1（Garbage-First）收集器（分区）

• 目标：兼顾吞吐量和低延迟，适用于大内存（>6GB）和多核CPU。
• 核心思想：
  (1) 将堆内存划分为多个Region（大小相等，1~32MB）。
  (2) 优先回收垃圾最多的Region。
• 回收步骤：
  （1）初始标记（Initial Mark）：暂停线程，标记GC Roots。
  （2）并发标记（Concurrent Mark）：并发标记存活对象。
  （3）最终标记（Final Mark）：处理并发标记期间新增的对象。
  （4）筛选回收（Live Data Counting and Evacuation）：选择回收价值高的Region进行回收。
• 优点：
  可预测的停顿时间（通过 -XX:MaxGCPauseMillis 设置）。
  避免内存碎片（回收时进行压缩）。
• 缺点：
  内存占用较高（维护Region状态）。
• 命令行参数：
  -XX:+UseG1GC

🧱 四、GC收集器对比总结

🔄 五、GC类型与触发条件

🧪 六、常见GC异常与调优

1. 内存泄漏（Memory Leak）

• 原因：对象不再使用但无法被GC回收（如缓存未清理、监听器未注销）。
• 定位工具：
  (1) MAT（Memory Analyzer）：分析堆转储（heap dump）。
  (1) VisualVM：实时监控内存使用情况。
  (3) jmap + jhat：生成并分析堆转储。

2. 内存溢出（OutOfMemoryError）

• 常见类型：
  • Java heap space：堆内存不足。
  • GC overhead limit exceeded：GC频繁且效率低。
  • PermGen / Metaspace：方法区或元空间内存不足。
• 解决方法：
  • 增加堆大小（-Xmx）。
  • 调整元空间大小（-XX:MaxMetaspaceSize）。
  • 优化代码（减少对象创建、及时释放资源）。

3. GC调优目标

目标	说明
吞吐量（Throughput）	单位时间内处理任务的效率（适合后台计算任务）
停顿时间（Pause Time）	每次GC暂停的时间（适合Web服务）
内存占用（Footprint）	堆内存使用量（适合内存敏感场景）

4. GC调优常用参数

参数	说明
-Xms / -Xmx	设置堆初始和最大大小（如 -Xms2g -Xmx4g）
-XX:NewRatio	新生代与老年代比例（默认1:2）
-XX:SurvivorRatio	Eden与Survivor比例（默认8:1:1）
-XX:MaxGCPauseMillis	G1收集器的目标停顿时间（默认200ms）
-XX:G1HeapRegionSize	G1的Region大小（1~32MB）
-XX:+PrintGCDetails	打印详细GC日志
-XX:+PrintGCDateStamps	打印GC时间戳
-Xloggc:/path/to/gc.log	输出GC日志到文件

🧩 七、常见GC问题排查工具

工具	说明
jstat	实时监控GC状态（如 jstat -gc 1234 1000 每秒输出GC信息）
jmap	生成堆转储（jmap -dump:format=b,file=heap.bin 1234）
jhat	分析堆转储（jhat heap.bin）
VisualVM	图形化监控JVM内存、线程、GC等
MAT（Memory Analyzer）	分析堆转储，定位内存泄漏
GC	日志分析工具 如 GCViewer、GCEasy、GCPlot

📋 八、常见面试题及答案

1. CMS 和 G1 的区别？

2. G1为何适合大内存？

• 分区管理：将堆划分为多个Region，可并行回收。
• 可预测停顿：通过 -XX:MaxGCPauseMillis 设置目标停顿时间。
• 避免碎片化：回收时进行压缩（Evacuation阶段）。

3. CMS的缺点？

• 内存碎片化：可能导致Full GC（标记-清除算法的缺点）。
• 并发阶段耗CPU：并发标记和清除阶段占用CPU资源。
• Concurrent Mode Failure：老年代空间不足导致并发失败，退化为Serial Old收集器。

4. 如何选择合适的GC收集器？

5. Full GC的触发条件？

• 老年代空间不足。
• 方法区（元空间）内存不足。
• 调用 System.gc()（可禁用 -XX:+DisableExplicitGC）。
• 分配大对象（如大数组）。

6. 如何优化GC性能？

• 合理设置堆大小：避免频繁GC。
• 避免内存泄漏：使用缓存时注意释放。
• 选择合适收集器：如G1适合大内存。
• 监控GC日志：分析停顿时间和频率。

📚 九、GC调优实践建议

✅ 十、总结：GC机制核心知识点

📄 十一、完整GC日志示例

2023-10-23T15:30:00.123+0800: [GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 131072K->15360K(157248K)] 131072K->15360K(503936K), 0.0123456 secs] [Times: user=0.05 sys=0.00, real=0.01 secs]

日志解析：

• GC类型：Allocation Failure（分配失败触发GC）。
• GC区域：PSYoungGen（Parallel Scavenge新生代）。
• 内存变化：131072K->15360K（回收后内存占用）。
• 耗时：0.0123456 secs（GC耗时）。

📌 十二、推荐学习资料

• 《深入理解 Java 虚拟机》（周志明）
• 《Java 性能调优指南》
• JVM 官方文档：https://docs.oracle.com/en/java/javase/17/gctuning/
• GC日志分析工具：GCViewer、GCEasy、GCPlot
• JVM调优视频教程（B站、慕课网、CSDN）