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Tavio
2022-02-23
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JVM GC

# JVM 垃圾回收（GC）深度解析：从原理到实践

在 Java 虚拟机（JVM）的内存管理中，垃圾回收（Garbage Collection，简称 GC）是自动内存管理的核心机制。它负责识别并回收不再被使用的对象，释放内存空间，避免内存泄漏和溢出（OOM）。

# 一、GC 的核心目标与挑战

垃圾回收的核心目标是高效释放不再被使用的内存，但需平衡三个关键指标：

  • 准确性：不误删仍在使用的对象（避免空指针异常），不遗漏垃圾对象（避免内存浪费）。
  • 效率：回收过程对应用线程的影响（STW 时间）尽可能小。
  • 适应性：能适配不同场景（如高吞吐量、低延迟、大堆内存等）。

实现这一目标的核心流程可概括为：如何判定对象已死 → 如何高效回收垃圾 → 如何根据场景选择回收工具。

# 二、对象存活判定：如何识别"垃圾"

要回收垃圾，首先需明确"什么是垃圾"——即不再被任何途径访问的对象。JVM 主要通过两种算法判定对象存活状态：

# 2.1 引用计数法（已淘汰）

  • 原理：为每个对象维护一个引用计数器，当对象被引用时计数器+1，引用失效时-1；当计数器为 0 时，判定为垃圾。
  • 优势：实现简单，判定效率高。
  • 缺陷：无法解决循环引用问题（如 A 引用 B，B 引用 A，两者计数器始终为 1，永远无法被回收）。
  • 现状：因循环引用缺陷，JVM 未采用该算法。

# 2.2 可达性分析（JVM 主流算法）

  • 原理：以"GC Root"为起点，通过遍历对象引用链（引用关系），若对象无法从任何 GC Root 可达，则标记为垃圾。
  • GC Root 范围（核心起点）：
    • 虚拟机栈（栈帧局部变量表）中引用的对象（如方法参数、局部变量）；
    • 方法区中类的静态变量引用的对象；
    • 本地方法栈中 Native 方法引用的对象；
    • 活跃线程对象（如正在运行的线程实例）；
    • 被同步锁（synchronized）持有的对象。
  • 优势：解决了循环引用问题，是 JVM 判定垃圾的标准算法。

# 三、引用类型：影响对象的回收时机

对象的"存活"不仅取决于是否可达，还与引用类型相关。JVM 定义了 4 种引用类型，从强到弱影响对象的回收优先级：

引用类型 定义与特性 回收时机 典型场景
强引用 最常见的引用（如 User user = new User()），默认引用类型。 仅当引用链完全断开（如 user = null）才会被回收。 普通对象存储（如业务对象）。
软引用 用 SoftReference 包装（如 SoftReference<User> softRef = new SoftReference<>(user)）。 内存不足时（OOM 前）主动回收。 缓存（如图片缓存，内存充足时保留）。
弱引用 用 WeakReference 包装（如 WeakReference<User> weakRef = new WeakReference<>(user)）。 下次 GC 时必然回收（无论内存是否充足）。 临时缓存（如与对象关联的辅助信息）。
虚引用 用 PhantomReference 包装，必须结合引用队列（ReferenceQueue）使用。 回收时触发队列通知，对象本身直接被回收。 跟踪对象回收时机（如释放堆外内存）。

# 四、垃圾收集算法：如何回收垃圾

确定垃圾后，需通过具体算法回收内存。JVM 设计了三种基础算法，各有优劣，适用于不同场景：

# 4.1 复制算法：高效无碎片（空间换时间）

  • 原理：将内存划分为大小相等的两块（From 区和 To 区），仅使用 From 区分配对象。GC 时：
    1. 标记 From 区中所有存活对象；
    2. 将存活对象完整复制到 To 区（按顺序排列，消除碎片）；
    3. 清空 From 区，交换 From/To 角色（下次使用原 To 区）。
  • 优势：
    • 回收效率高（仅处理存活对象，无需扫描垃圾）；
    • 无内存碎片（复制后对象连续排列）。
  • 缺陷：
    • 空间利用率低（仅 50% 内存可用）；
    • 存活对象越多，复制成本越高。
  • 适用场景：新生代（对象存活率低，复制成本低）。

# 4.2 标记-清除算法：无空间浪费（有碎片）

  • 原理：分两个阶段：
    1. 标记：从 GC Root 出发，标记所有存活对象；
    2. 清除：扫描整个内存区域，回收所有未标记的垃圾对象。
  • 优势：
    • 空间利用率高（无需额外空闲区）；
    • 适合大对象（无需复制，处理成本低）。
  • 缺陷：
    • 产生内存碎片（回收后空闲内存分散，可能无法分配大对象）；
    • 效率低（需遍历两次内存：标记一次，清除一次）。
  • 适用场景：存活对象少、垃圾多的场景（较少单独使用，多作为基础算法优化）。

# 4.3 标记-整理算法：无碎片（时间换空间）

  • 原理：标记-清除算法的优化版，分三个阶段：
    1. 标记：同标记-清除（标记存活对象）；
    2. 整理：将所有存活对象向内存一端移动并按顺序排列；
    3. 清除：回收内存另一端的所有垃圾对象。
  • 优势：
    • 无内存碎片（解决标记-清除的核心缺陷）；
    • 空间利用率高。
  • 缺陷：
    • 效率更低（增加了对象移动成本）。
  • 适用场景：老年代（对象存活率高，需避免碎片以分配大对象）。

# 五、分代收集：结合算法优势的实战模型

由于对象生命周期差异显著（大部分对象"朝生夕死"，少数对象长期存活），JVM 采用分代收集模型，结合上述算法优势：

# 5.1 内存区域划分

JVM 堆内存分为新生代（Young Generation）和老年代（Old Generation），比例通常为 1:2（可通过参数调整）。

区域 存储对象类型 特点 收集算法 收集触发时机
新生代 新创建的对象（朝生夕死） 对象存活率低（约 5%） 复制算法 Minor GC（轻量 GC）
老年代 长期存活的对象（存活久） 对象存活率高（约 95%） 标记-整理算法 Major GC/Full GC

# 5.2 新生代细节

新生代进一步分为：

  • Eden 区（伊甸园）：新对象优先分配的区域（占新生代 80%）；
  • 两个 Survivor 区（From 区和 To 区，各占 10%）：用于存放 Minor GC 后存活的对象。

Minor GC 流程：

  1. 当 Eden 区满时，触发 Minor GC；
  2. 标记 Eden 区 + From 区的存活对象；
  3. 将存活对象复制到 To 区，同时对象年龄+1（年龄记录在对象头中）；
  4. 清空 Eden 区和 From 区，交换 From/To 角色；
  5. 当对象年龄达到阈值（默认 15，可通过 -XX:MaxTenuringThreshold 调整），晋升至老年代。

# 5.3 老年代细节

老年代存储长期存活的对象，触发回收的情况包括：

  • 老年代内存不足；
  • 新生代对象晋升失败（如大对象直接进入老年代，或 Survivor 区对象放不下）；
  • 显式调用 System.gc()（不推荐，可能触发 Full GC）。

Major GC/Full GC：

  • Major GC：仅回收老年代（较少单独触发）；
  • Full GC：同时回收新生代和老年代（STW 时间长，应尽量避免）。

# 六、垃圾回收器：算法的工程实现

回收器是垃圾收集算法的具体实现，不同回收器针对不同场景（吞吐量、延迟等）优化。主流回收器如下：

# 6.1 Serial 回收器（串行回收）

  • 特点：单线程执行 GC，全程触发 STW（Stop The World，暂停所有用户线程）。
  • 算法实现：
    • 新生代：复制算法；
    • 老年代：标记-整理算法。
  • 适用场景：单 CPU、小内存（如嵌入式设备）、低并发场景（STW 时间长，不适合高并发）。
  • 参数配置：-XX:+UseSerialGC（启用 Serial + Serial Old 组合）。

# 6.2 Parallel 回收器（并行回收）

  • 特点：多线程并行执行 GC，以高吞吐量为目标（吞吐量 = 业务时间 / (业务时间 + GC 时间)）。
  • 算法实现：
    • 新生代：并行复制算法；
    • 老年代：并行标记-整理算法。
  • 优势：STW 时间比 Serial 短（多线程加速）。
  • 适用场景：多 CPU、高吞吐量需求（如后台计算）、对延迟不敏感的场景。
  • 参数配置：-XX:+UseParallelGC（JDK8 默认，新生代 Parallel Scavenge + 老年代 Parallel Old）。

# 6.3 CMS 回收器（并发标记清除，已废弃）

  • 特点：以低延迟为目标，老年代回收的大部分阶段与用户线程并发执行（减少 STW 时间）。
  • 算法实现：老年代采用标记-清除算法（新生代默认搭配 Parallel 回收器）。
  • 回收流程：
    1. 初始标记：标记 GC Root 直接引用的对象（STW，时间短）；
    2. 并发标记：从初始标记对象出发，遍历所有可达对象（与用户线程并行，无 STW）；
    3. 重新标记：修正并发标记中因用户线程修改引用导致的偏差（STW，时间短）；
    4. 并发清除：回收未标记的垃圾对象（与用户线程并行，无 STW）。
  • 缺陷：
    • 产生内存碎片（标记-清除算法导致）；
    • 对 CPU 资源敏感（并发阶段占用 CPU）；
    • JDK9 标记废弃，JDK14 移除。
  • 参数配置：-XX:+UseConcMarkSweepGC（需搭配 -XX:+UseParNewGC 启用新生代并行回收）。

# 6.4 G1 回收器（区域化分代式，JDK9+ 默认）

  • 特点：融合分代回收与分区回收，兼顾吞吐量与低延迟，支持大堆内存（数十 GB）。

  • 内存模型：G1 摒弃了 CMS/Parallel Old 的 “连续新生代、连续老年代” 布局，将堆划分为多个大小相等的独立 Region，核心细节如下：

    1. Region 大小计算：
      • Region 大小由 JVM 在启动时自动计算，范围 1MB~32MB（2 的幂次），公式：Region大小 = 堆总大小 / Region数量（默认 Region 数量约 2048 个）；
      • 可通过参数-XX:G1HeapRegionSize手动指定（需为 2 的幂次，如 1M/2M/4M，不建议随意修改）。
    2. Region 类型（动态切换）：
    类型 作用 特殊说明
    Eden Region 新生代，存放新创建的对象 多个 Eden Region 可并行回收，占堆比动态调整（无需固定比例，如 ParNew 的 8:1:1）
    Survivor Region 新生代，存放 Eden 回收后存活的对象 同样动态分配数量，默认分为 S0/S1，但 Region 数量不固定
    Old Region 老年代，存放存活时间长的对象 由 Survivor 晋升而来，或大对象拆分后存入
    Humongous Region 存放大对象（大小≥Region 一半），占用连续多个 Region 直接划入老年代范畴，回收时需整体处理，避免跨 Region 碎片
    1. Remembered Set（记忆集，G1 核心优化）:
      • 问题：Region 是独立的，跨 Region 引用（如 Old Region 引用 Eden Region 对象）会导致 GC 时需要全堆扫描；
      • 解决方案：每个 Region 维护一个 Remembered Set，记录 “外部 Region 对本 Region 对象的引用”；
      • 实现：通过写屏障（Write Barrier）拦截对象引用更新，异步更新 Remembered Set，避免全堆扫描，大幅降低 GC 耗时。

  • 核心优势：

    • 动态调整：无需固定新老年代比例，根据负载灵活分配 Region 角色；
    • 优先回收：每次 GC 优先选择垃圾占比最高的 Region（最大化回收效率）；
    • 无碎片：采用复制算法（存活对象复制到新 Region）。

  • 回收流程：

    • 新生代 GC：
      1. 暂停所有用户线程（STW）；
      2. 采用复制算法：将 Eden + Survivor 中存活的对象复制到新的 Survivor Region（或晋升到 Old Region）；
      3. 清空原 Eden 和 Survivor Region，标记为空闲；
      4. 恢复用户线程。
    • 混合 GC（同时回收新老年代）：
      1. 初始标记（STW，毫秒级）：
      • 标记 GC Root 直接引用的对象；
      • 借助 Young GC 的 STW 阶段完成，无需额外暂停（优化点）。
      1. 并发标记（无 STW）：
      • 从 GC Root 出发，遍历全堆对象图，标记所有存活对象；
      • 同时用户线程正常运行，通过写屏障处理 “并发标记期间的对象引用变化”（增量更新）。
      1. 最终标记（STW，毫秒级）：
      • 修正并发标记期间因用户线程操作导致的标记偏差；
      • 处理 Remembered Set 中的跨 Region 引用，标记遗漏的存活对象。
      1. 筛选回收（STW，核心优化）：
      • 统计所有 Region 的垃圾占比（存活对象比例）；
      • 按 “垃圾占比从高到低” 排序，优先回收垃圾最多的 Region（贪心算法，最大化回收效率）；
      • 控制本次回收的 Region 数量，确保 STW 时间不超过-XX:MaxGCPauseMillis（默认 200ms）；
      • 采用复制算法：将存活对象复制到空闲 Region，清空原 Region。

  • 参数配置：-XX:+UseG1GC（JDK9+ 默认）。

# 6.5 ZGC 回收器（低延迟，JDK17+ 主流）

  • 特点：专为低延迟、大堆内存（TB 级）设计，STW 时间控制在毫秒级以内。

  • 内存模型：ZGC 继承了 G1 的 “Region 分区” 思想，但做了颠覆性优化 —— 抛弃 G1 固定大小 Region + 静态分配的设计，改为分级 Region + 动态管理，完美适配不同大小对象与弹性内存需求。

    1. Region 分级设计: ZGC 将 Region 分为三类固定大小的分区，避免 G1 中 “大对象占用连续 Region” 的问题，每个 Region 仅存储对应尺寸的对象：
    Region 类型 固定大小 适用对象 核心特点
    Small 2MB 小对象（<2MB） 占堆内存 90% 以上，回收效率最高
    Medium 32MB 中等对象（2MB~32MB） 避免小 Region 拆分中等对象，减少内存浪费
    Large N×2MB 大对象（>32MB） 每个 Large Region 仅存一个大对象，大小为 2MB 整数倍，回收时整体处理
    1. 动态 Region 管理: 与 G1 启动时一次性创建所有 Region 不同，ZGC 的 Region 具备 “动态弹性”：
      • 按需创建：堆内存不足时自动新建 Region，无需启动时预留大量内存；
      • 空闲销毁：：回收后的空闲 Region 可销毁，释放物理内存（适配容器 / 云环境的内存弹性伸缩）；
      • 无固定比例：无需像 G1 那样限制新生代 / 老年代占比，完全根据对象分配需求动态调整。
    2. 抛弃 Remembered Set（RS）:G1 为解决跨 Region 引用问题，引入 RS（记忆集）导致额外内存开销（堆的 10%~20%）；而 ZGC 通过 “颜色指针” 技术直接解决跨 Region 引用问题，彻底抛弃 RS，额外内存开销仅为堆的 1%~5%，大幅降低资源消耗。

  • 核心优化：ZGC 的灵魂：颜色指针技术

    颜色指针是 ZGC 实现 “极致低延迟” 的核心，也是区别于所有传统 GC 的关键 —— 它颠覆了在对象头标记 GC 状态的传统思路，转而通过指针本身标记对象状态。

    1. 颜色指针的底层原理:

    颜色指针的实现依赖硬件架构特性：AMD64（x86_64）架构下，64 位指针仅使用低 48 位（可寻址 256TB 内存），剩余 16 位为 “空闲位”。ZGC 复用这些空闲位作为 “标记位”，直接通过指针标记对象的 GC 状态，无需修改对象头。

    简化的指针结构如下：

    63~48位：保留位（未使用）
47~0位： 内存地址（实际寻址）
└─ 47~44位：颜色标记位（存储对象GC状态）
    1
    2
    3
    1. 颜色指针的核心状态:

    ZGC 定义了三类核心 “颜色”（状态），通过标记位实现对象状态管理，无需遍历对象：

    颜色 状态含义 核心作用
    白色 对象未被标记，属于垃圾 回收阶段直接清理
    灰色 对象已标记，但子对象未遍历 并发标记阶段的临时状态，需继续遍历子对象
    黑色 对象及所有子对象均已标记 存活对象，回收阶段保留
    转发色（扩展） 对象已复制到新 Region 重分配阶段临时状态，指引用户线程访问新对象地址
    1. 颜色指针的核心优势:
      • 无全局扫描：通过指针直接判断对象状态，无需遍历全堆 / Region，大幅减少 GC 耗时；
      • 轻量级并发：用户线程访问对象时，CPU 的内存保护机制（MMU）自动重定向到最新对象地址，无需复杂写屏障；
      • STW 极短：所有状态标记在指针层面完成，仅初始 / 最终标记需极短 STW，无修改对象头的额外开销。

  • 回收流程：

    1. 初始标记（STW，微秒级）：
      • 核心操作：标记 GC Root 直接引用的对象（如虚拟机栈、本地方法栈引用）；
      • 耗时特点：仅与 GC Root 数量相关，与堆大小无关，通常 < 1ms。
    2. 并发标记（无 STW）：
      • 核心操作：从 GC Root 出发，遍历对象图，通过颜色指针标记所有存活对象；
      • 关键优化：用户线程正常运行，ZGC 通过 “读屏障” 处理并发标记期间的对象引用变化，无性能瓶颈。
    3. 并发预备重分配：
      • 核心操作：统计所有 Region 的垃圾占比，按 “垃圾占比从高到低” 筛选待回收 Region（贪心策略）；
      • 前置准备：为待回收 Region 分配新的空闲 Region，准备复制存活对象。
    4. 重分配标记（STW，微秒级）：
      • 核心操作：修正并发标记期间因用户线程操作导致的指针引用偏差；
      • 关键目标：标记所有指向 “待回收 Region” 的 GC Root 引用，耗时同样 < 1ms。
    5. 并发重分配（核心阶段，无 STW）：
      • 核心操作：将待回收 Region 中的存活对象复制到新 Region；
      • 透明转发：用户线程访问旧 Region 对象时，通过 “转发色指针” 自动重定向到新对象地址，无感知。
    6. 并发重映射（无 STW）：
      • 核心操作：异步更新所有指向旧 Region 的指针，使其直接指向新对象地址；
      • 容错设计：即使该阶段未完成，读屏障也会兜底转发，不影响业务运行。

    核心结论：ZGC 的 STW 时间仅来自 “初始标记 + 重分配标记”，且总耗时不随堆大小增长 ——1GB 堆和 1TB 堆的 STW 时间几乎一致。

  • 适用场景：对延迟敏感的大型应用（如分布式服务、大数据处理）。

  • 参数配置：-XX:+UseZGC（JDK11 引入，JDK17 成为长期支持版本）。

# 七、总结：如何选择合适的 GC 策略

GC 调优的核心是匹配业务场景：

  • 高吞吐量优先：选择 Parallel 回收器（如后台批处理任务）；
  • 低延迟优先：选择 G1 或 ZGC（如 Web 服务、实时交易系统）；
  • 小内存/嵌入式：选择 Serial 回收器。
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#JVM GC
上次更新: 2026/01/21, 19:29:14
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