JVM 垃圾回收（GC）核心原理全解析（HotSpot 视角，JDK 8~21 适用）
垃圾回收（Garbage Collection，简称 GC）是 JVM 内存管理的核心机制，帮助程序员自动回收无用对象内存，避免内存泄漏。JVM 的 GC 基于分代假设：大多数对象朝生夕死，少数对象长寿。
本文从垃圾判断、回收算法、分代收集、常见收集器、STW 与优化一步步解析原理，到实际调优建议。基于 HotSpot VM（最主流实现），适用于 JDK 8+（包括 ZGC 等新收集器）。
一、GC 基础：为什么需要 GC？什么是垃圾？
- 为什么需要 GC？
C/C++ 需要手动 malloc/free，容易内存泄漏或悬垂指针。Java 通过 GC 自动管理堆内存，让开发者专注业务。 - 什么是垃圾？
堆上对象如果不再被任何线程引用，就是垃圾。GC 先判断哪些是垃圾，再回收。
二、垃圾判断算法（如何判定对象已死？）
两大主流算法：引用计数 vs 可达性分析（JVM 用后者）。
| 算法 | 原理 | 优点 | 缺点 | JVM 使用？ |
|---|---|---|---|---|
| 引用计数 | 对象有一个计数器，引用+1，失效-1；计数=0 时回收 | 简单、实时回收 | 无法解决循环引用（A 引用 B，B 引用 A） | 否 |
| 可达性分析 | 从 GC Roots 开始搜索，可达的对象是活的；不可达的是垃圾 | 解决循环引用 | 需要 STW（暂停用户线程） | 是（主流） |
GC Roots 是什么？（搜索起点）
- 虚拟机栈中的局部变量引用
- 方法区静态变量引用
- 方法区常量引用
- 本地方法栈 JNI 引用
- 线程对象（Thread）
- 已加载类对象（Class）
- 监视器（synchronized 持有的对象）
对象“死亡”过程（不是立即回收）：
- 不可达 → 标记为垃圾
- 如果重写了 finalize()，放入 F-Queue 队列，自救机会（finalize() 中重新建立引用）
- finalize() 只执行一次，自救失败 → 真正回收
注意：finalize() 已被弃用（JDK9+），建议用 try-with-resources 或 Cleaner。
三、垃圾回收算法（如何回收垃圾？）
三大经典算法 + 分代优化。
- 标记-清除（Mark-Sweep）
- 过程：标记活对象 → 清除垃圾
- 优点：简单
- 缺点：碎片化（空间不连续，导致大对象分配失败）；效率低（标记+清除两次扫描）
- 适用：老年代（CMS 使用）
- 标记-复制（Mark-Copy）
- 过程：标记活对象 → 复制到另一块空间 → 清空原空间
- 优点：无碎片；简单高效（只扫描活对象）
- 缺点：空间浪费（一半空间空闲）
- 适用：新生代（存活率低，复制少量对象）
- 标记-整理（Mark-Compact）
- 过程：标记活对象 → 整理（活对象移到一端） → 清空剩余
- 优点：无碎片；空间利用高
- 缺点：整理阶段慢（移动对象，更新引用）
- 适用：老年代（Serial Old、Parallel Old 使用）
算法对比表
| 算法 | 空间利用 | 时间效率 | 无碎片？ | 典型收集器 |
|---|---|---|---|---|
| 标记-清除 | 高 | 中等 | 否 | CMS |
| 标记-复制 | 低 | 高 | 是 | Serial、ParNew |
| 标记-整理 | 高 | 低 | 是 | Serial Old、G1（局部） |
四、分代收集理论（Generational Collection）
基于弱代假设（大多数对象短命）和强代假设（越老越难死），堆分为新生代和老年代。
- 新生代（Young Gen）：Eden + 两个 Survivor（默认 8:1:1）
- 新对象在 Eden 分配
- Minor GC（Young GC）：回收新生代（复制算法）
- 存活对象 → Survivor（年龄+1）
- 年龄达阈值（默认15，-XX:MaxTenuringThreshold）或 Survivor 满 → 晋升老年代
- 老年代（Old Gen）：存长寿对象
- Major GC / Full GC：回收老年代 + 新生代（标记-清除/整理）
- 触发：老年代满、方法区满、担保失败
- 担保机制（Allocation Failure Guarantee）：
新生代 Minor GC 前检查老年代空间是否够容纳所有新生代对象（极端情况）。不够 → Full GC。
分代比例：新生代:老年代 = 1:2（-XX:NewRatio=2，默认）
五、常见 GC 收集器（Collector）及原理
HotSpot 有多种收集器，按新生代/老年代分类，按串行/并行/并发分类。
新生代收集器：
- Serial：单线程、复制算法、STW
- ParNew：Serial 多线程版、并行
- Parallel Scavenge：并行、吞吐量优先（-XX:MaxGCPauseMillis、-XX:GCTimeRatio）
老年代收集器：
- Serial Old：单线程、标记-整理
- Parallel Old：Parallel Scavenge 的老年代版、并行
- CMS（Concurrent Mark Sweep）：并发标记-清除，低暂停
- 过程：初始标记（STW）→ 并发标记 → 重新标记（STW）→ 并发清除
- 优点：低延迟（并发阶段用户线程可运行）
- 缺点：碎片、CPU 敏感、浮动垃圾（并发时新垃圾）
全堆收集器（JDK8+ 主流）：
- G1（Garbage First）：分代 + 区域（Region）
- 堆分成小 Region（1-32MB），优先回收价值高的（垃圾多）
- 过程：Young GC（复制）+ Mixed GC（年轻+老）
- 优点：可预测暂停（-XX:MaxGCPauseMillis=200ms，默认）
- 缺点：高内存占用（Remembered Set 跟踪跨代引用）
- 适用：大堆（>4GB）、低延迟
- ZGC（JDK11+）：超低暂停（<10ms）
- 使用彩色指针（Colored Pointers）标记，不需 STW 整理
- 优点：暂停极短、支持 TB 级堆
- 缺点：吞吐量稍低
- Shenandoah（JDK12+，OpenJDK）：类似 ZGC，并发整理
收集器组合推荐（生产常用）：
- 小堆、低延迟：ParNew + CMS
- 高吞吐：Parallel Scavenge + Parallel Old
- 大堆、均衡：G1（JDK9+ 默认）
- 超大堆、低暂停：ZGC / Shenandoah
参数示例：
# G1 示例
-XX:+UseG1GC -XX:MaxGCPauseMillis=100 -Xmx4g -Xms4g六、STW（Stop The World）与优化
- STW 是什么？：GC 时暂停所有用户线程，确保引用一致。
- 为什么需要？：防止标记时引用变化。
- 优化：并发收集器（CMS/G1/ZGC）把标记/清除并发化，只短暂停。
安全点（Safepoint）：线程可暂停的位置（方法调用、循环末尾）。
安全区域：线程 sleep/block 时，整个区域安全。
七、GC 触发时机 & 日志分析
- Minor GC：Eden 满
- Full GC：老年代满、方法区满、System.gc()（不推荐）
日志参数：-XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCDateStamps -Xloggc:gc.log
示例日志：
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 2048K->256K(2560K)] 2048K->256K(9728K), 0.001s]- PSYoungGen：新生代
- Allocation Failure：分配失败触发
八、快速记忆口诀 & 调优建议
- 判断：可达分析 > 引用计数（循环问题）
- 算法：清除碎片多、复制空间半、整理移动慢
- 分代：年轻复制快、老年清除/整理
- 收集器：Serial 单、Par 多、CMS 并发碎片、G1 区域预测、ZGC 彩色低停
生产调优：
- 监控 GC 日志（jstat、jmap、VisualVM）
- 堆大小：-Xms = -Xmx（避免动态扩展）
- 新生代大小：-XX:NewSize（太大 Minor GC 少但久，小太频繁）
- 优先 G1/ZGC
- 避免大对象、内存泄漏（ThreadLocal 未 remove）
GC 是 JVM 的黑魔法，原理懂了，调优就简单了。有具体 GC 日志想分析、或某个收集器想深挖（如 G1 的 RSet），告诉我，我继续展开！
