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22. 什么是垃圾回收（Garbage Collection）？JVM如何进行垃圾回收？

PangHu大约 5 分钟

垃圾回收（Garbage Collection, GC） 是Java虚拟机（JVM）自动管理内存的机制。它的主要任务是识别和回收不再被任何引用对象持有的内存，以便释放这些内存，使其能够被新的对象重新使用。这一机制帮助开发者避免手动管理内存，从而减少了内存泄漏和其他内存管理问题的风险。

一、垃圾回收的基本概念

  1. 堆内存管理：
    • Java对象都是在堆内存（Heap Memory）中分配的。堆内存分为多个区域，通常包括新生代（Young Generation）、老年代（Old Generation），以及在较早版本中存在的永久代（PermGen）或元空间（Metaspace，JDK 8及之后的版本）。
  2. 可达性分析（Reachability Analysis）：
    • JVM使用可达性分析算法来判断对象是否存活。GC从一组称为“GC Roots”的根对象开始，通过遍历对象引用链，确定哪些对象仍然被引用。无法通过GC Roots到达的对象被视为不可达的，即不可用的对象，会被回收。
  3. GC Roots的例子：
    • 虚拟机栈中引用的对象（如方法的局部变量）。
    • 方法区中类的静态属性引用的对象。
    • 方法区中常量引用的对象。
    • 本地方法栈中JNI（Native方法）的引用对象。

二、JVM垃圾回收的过程

JVM的垃圾回收过程主要分为以下几个步骤和策略：

  1. 垃圾回收算法：
    • 标记-清除算法（Mark-Sweep）：
      • 该算法分为“标记”和“清除”两个阶段。首先标记出所有存活的对象，随后清除未标记的对象，释放其内存。虽然简单，但清除后会产生内存碎片，影响后续的内存分配。
    • 复制算法（Copying）：
      • 该算法将内存分为两块，每次只使用其中的一块。当这一块内存使用完时，GC将所有存活的对象复制到另一块内存，然后清空当前使用的内存。复制算法可以有效避免内存碎片问题，但需要两倍的内存空间。
    • 标记-整理算法（Mark-Compact）：
      • 标记阶段与标记-清除算法相同，但在清除阶段，存活的对象会被移动到内存的一端，整理出连续的内存空间。这个方法解决了内存碎片问题。
    • 分代收集算法（Generational Collection）：
      • 由于对象的生命周期有长有短，JVM将堆内存划分为新生代和老年代，并分别使用不同的垃圾回收算法。新生代使用复制算法，因为大部分对象生命周期较短；老年代使用标记-整理或标记-清除算法，因为老年代的对象存活时间较长。
  2. 垃圾回收器：
    • Serial 收集器：
      • 这是一个单线程的收集器，只适用于单CPU环境。它会暂停所有应用程序线程（“Stop-The-World”），然后进行垃圾回收，适合客户端应用程序。
    • Parallel 收集器：
      • Parallel收集器是一个多线程收集器，适用于多CPU环境。它通过并行处理来提高垃圾回收的吞吐量，适合服务器端应用。
    • CMS 收集器（Concurrent Mark-Sweep）：
      • CMS收集器专注于最小化应用程序停顿时间（低延迟）。它在标记阶段采用并发方式，在应用程序运行时也进行标记和清理，减少停顿时间，适合对响应时间要求高的应用。
    • G1 收集器（Garbage First）：
      • G1收集器是JDK 7引入的一种面向大内存、多处理器环境的收集器。它将堆划分为多个大小相等的独立区域，按照每个区域的回收收益优先回收，适合处理大堆内存下的垃圾回收需求。
  3. 垃圾回收过程中的内存区域：
    • 新生代GC（Minor GC）
      • 新生代GC通常会频繁发生，因为新生代中有大量短命对象。当Eden区（新生代中的一部分）满时，会触发Minor GC，将存活对象移动到Survivor区，最终晋升到老年代。
    • 老年代GC（Major GC 或 Full GC）
      • 当老年代的内存满时，JVM会触发Major GC（或称Full GC）。Major GC不仅会回收老年代，还可能会涉及新生代的回收。由于回收范围广，Major GC通常比Minor GC耗时更长。

三、垃圾回收的触发条件

  • 新生代满：当新生代的Eden区满时，会触发Minor GC，将存活对象转移到Survivor区或老年代。
  • 老年代满：当老年代的内存使用接近满时，会触发Major GC或Full GC，清理老年代中的对象。
  • System.gc()调用：开发者可以显式调用System.gc()来建议JVM进行垃圾回收，但实际执行取决于JVM的策略。
  • 内存不足：当JVM内存不足以分配新对象时，可能会触发垃圾回收以释放空间，避免内存溢出（OutOfMemoryError）。

四、垃圾回收对性能的影响

  • 停顿时间（Stop-the-World）：在进行垃圾回收时，JVM会暂停所有应用程序线程，直到垃圾回收完成。这可能会影响应用程序的响应时间，尤其是在Full GC时。
  • 吞吐量：指应用程序执行代码的时间占总时间的比率。高吞吐量意味着更少的时间花费在垃圾回收上，更多时间用于应用程序执行。

总结

垃圾回收是JVM中自动内存管理的重要机制，确保应用程序运行过程中内存的有效利用。通过不同的垃圾回收算法和垃圾回收器，JVM能够平衡应用程序性能与内存管理之间的关系，使得Java开发者可以专注于业务逻辑而不用过多关心内存管理的细节。