JVM GC 垃圾回收体系完整讲解
Java 的垃圾回收体系是 JVM 最核心的机制之一。理解 GC，不只是了解某个收集器的特性，而是要理解“对象如何被判断存活”“不同区域如何回收”“不同收集器之间有什么演进关系”。
下面我从体系化角度讲清楚整个 GC 机制。
1. JVM 如何判断对象是否可回收？
现代 JVM 全部采用“可达性分析”（Reachability Analysis） 。
GC 会从一组称为 GC Roots 的节点开始搜索，只要一个对象能通过链路被 GC Roots 引用到，就被视为存活，否则就是不可达对象，可以回收。
典型 GC Roots 包括：
- 栈帧中的局部变量表
- 方法区中的静态变量
- 常量池中的引用
- JNI 本地引用
- 正在运行的线程自身
- 类加载器等基础结构
这种模型的核心特点是：以图遍历方式判断对象生命周期，避免引用计数的循环引用问题。
2. JVM 中的四种引用类型（为什么要设计成这么多？）
JVM 为了更灵活地管理内存，引入了 4 类引用强度不同的引用模型：
强引用（Strong Reference）
正常使用的引用，只要存在强引用，垃圾回收器永不回收。
软引用（Soft Reference）
内存紧张时才会被回收，常用于缓存。
弱引用（Weak Reference）
下一次垃圾回收必定回收，非常适合 ThreadLocal、WeakHashMap 这种弱生命周期资源。
虚引用（Phantom Reference）
用于追踪对象被回收的时间点，不能通过它获得对象，是最弱的引用。
这套引用体系为 JVM 提供了非常细粒度的生命周期管理能力。
3. 基本的垃圾回收算法
所有现代垃圾收集器的基础都是以下几种经典算法。
标记-清除（Mark-Sweep）
扫描对象并标记存活对象，然后清理未标记对象。
缺点是会形成大量内存碎片。
复制算法（Copying）
把内存分成两块，只使用一块，GC 时将活对象复制到另一块，效率非常高。
新生代大量使用复制算法。
标记-整理（Mark-Compact）
标记后，将存活对象统一移动到内存一端，避免碎片问题。
常用于老年代。
分代收集（Generational Collection）
基于对象生命周期不同，把堆划分为新生代和老年代，各自采用不同算法，是现代 GC 的灵魂设计。
4. 分代收集 vs 分区收集（Region-based）
两者是不同的设计哲学：
分代收集
按对象生命周期划分区域：
- 新生代：对象短命，采用复制算法
- 老年代：对象更稳定，采用标记整理
这是 JVM 经典堆结构。
分区收集（Region-based）
代表：G1、ZGC、Shenandoah
把整个堆划分成等大小的 Region，不再固定新老年代布局，而是动态分配不同 Region 的角色。
优势是对大堆更友好，也让 GC 调度更灵活。
5. JVM 的内存分配策略
对象的生命周期大致如下：
（1）对象通常先分配在 Eden
（2）Eden 满时触发 Minor GC，存活对象复制到 Survivor
（3）多次 Minor GC 后晋升到老年代
（4）大对象可能直接进入老年代
（5）栈上分配与标量替换可能让对象不进入堆
（6）Survivor 不够时依赖老年代“担保机制”
分代模型的目标是让 GC 把主要压力放在新生代，因为大量对象会快速死亡，复制代价最低。
6. 什么时候会触发 Full GC？
常见触发条件包括：
- 老年代空间不足
- Metaspace 空间不足
- 新生代 GC 后晋升失败
- System.gc() 被调用（可能触发）
- CMS 的 concurrent mode failure 失败导致 Full GC
- G1 回收失败时也可能触发 Full GC
Full GC 是 GC 中代价最高的，需要尽量避免。
7. HotSpot 中的主要垃圾收集器
按历史演进来看，可以分为几个阶段：
早期收集器
- Serial
- ParNew
- Parallel Scavenge / Parallel Old
适用中小堆，停顿明显。
CMS（Concurrent Mark Sweep）
第一个低停顿老年代收集器，采用多线程并发标记与清除，减少停顿时间。
优点：
- 停顿时间短
- 适合对响应要求非常高的服务端系统
缺点：
- 会产生碎片
- 同时并发占用 CPU
- concurrent mode failure 会触发 Full GC
- 已经过时，被 G1 取代
G1（Garbage First）
JDK 9 及之后的默认收集器，关键特性：
- 堆被划分成 Region
- 使用分区思想，不再固定新老年代
- 通过计算各 Region 的垃圾含量，优先回收收益最高的
- 回收时会整理内存，避免碎片
- 提供可预测的停顿时间目标
G1 适合大堆、服务端、延迟要求较高的系统。
ZGC（Z Garbage Collector）
ZGC 是新一代超低延迟垃圾收集器，特点：
- 停顿时间通常 < 10ms
- 支持数百 GB 到 TB 级堆
- 所有 GC 阶段几乎都并发执行
- 采用着色指针（Colored Pointers）
- 通过读屏障（Load Barrier）实现并发移动对象
ZGC 基本上解决了 JVM 在大内存时代的痛点。
8. 整体总结
我对 JVM GC 体系的理解是，它不是某个算法或收集器，而是一整套从“判断对象存活 → 回收策略 → 内存分代 → 收集器演化”的完整系统。
可达性分析保证了准确性；
四种引用提供了灵活性；
复制、标记整理等算法提供了基础；
分代收集保证了整体效率；
而 G1、ZGC 代表了现代 JVM GC 的趋势：
更低停顿、更高吞吐、更适应大堆、更多并发。