JVM垃圾回收机制

一、堆空间基本结构

JVM堆空间主要分为以下几个区域：

  • 年轻代（Young Generation）：存储新创建的对象，包含 Eden 区和两个 Survivor 区（S0、S1）
  • 老年代（Old Generation）：存储经过多次垃圾回收仍然存活的对象
  • 永久代（PermGen）：存储类的元数据（JDK7 及之前）
  • 元空间（Metaspace）：JDK8 之后替代永久代，存储类的元数据，位于本地内存

二、内存分配与垃圾回收

2.1 内存分配

新对象优先在Eden区分配
大多数情况下，对象在新生代中Eden区分配，当Eden区满时，虚拟机将发起一次Minor GC。

大对象直接进入老年代
这样可以减少新生代垃圾回收的频率和成本。

  • G1垃圾回收器会根据-XX:G1HeapRegionSize参数设置堆区域大小和-XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent参数设置的阈值，来决定哪些对象会直接进入老年代。
  • Paraller Scavenge垃圾回收器中，默认情况下，并没有一个固定的阈值来决定何时直接在老年代分配大对象。而是由虚拟机根据当前的堆内存情况和历史数据动态决定。

长期存活的对象将进入老年代
对象首先会被分配到Eden区，当对象在Eden区经过第一次Minor GC后仍然能够存活，并且能被Survivor容纳的话，将被移动到Survivor中，并将年龄设置为1。
对象在Survivor中每经过一次Minor GC，年龄就加1，当年龄到达一定程度时（默认15），就会被晋升到老年代。

Hotspot 遍历所有对象时，按照年龄从小到大对其所占用的大小进行累积，当累积的某个年龄大小超过了Survivor区的50%时（默认值是50%，可以通过-XX:TargetSurvivorRatio=percent来设置），取这个年龄和MaxTenuringThreshold中更小的一个值，作为新的晋升年龄阈值”。

2.2 垃圾回收

针对HotSpot VM的实现，它里面的GC其实只有两大种：

  • 部分回收（Partial GC）：
    • 新生代收集（Minor GC/Young GC）：只针对新生代进行垃圾回收
    • 老年代收集（Major GC/Old GC）：针对整个堆进行垃圾回收，包括新生代和老年代
    • 混合收集（Mixed GC）：针对新生代和部分老年代进行垃圾回收，G1垃圾回收器特有的
  • 整堆收集（Full GC）：收集整个Java堆和方法区

2.3 空间分配担保

空间分配担保是为了确保在Minor GC之前，老年代是否有足够空间容纳新生代可能“晋升”的对象。
如果不够，就可能：

  • 提前触发Full GC
  • 或者直接让Minor GC失败

为什么需要空间分配担保？
新生代 GC（Minor GC）时：

  • Eden区 + 一个Survivor区的存活对象
  • 会被复制到另一个Survivor或老年代

关键问题：如果Survivor放不下，就必须进入老年代

流程图

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Minor GC 前：

1. 老年代剩余空间 > 新生代总大小？
   ├── 是 → Minor GC
   └── 否 → 看是否允许担保失败(HandlePromotionFailure)

2. 是否允许 HandlePromotionFailure？
   ├── 否 → Full GC
   └── 是 → 看历史平均晋升大小

3. 老年代剩余空间 > 历史平均晋升大小？
   ├── 是 → Minor GC（有风险）
   └── 否 → Full GC

在较新的 JVM（如 JDK 8 之后）中，-XX:+HandlePromotionFailure这个参数已经不再推荐使用/被忽略

三、死亡对象判断方法

3.1 引用计数法

给对象中添加一个引用计数器：

  • 每当有一个地方引用它，计数器就+1
  • 每当引用失效时，计数器就-1
  • 当计数器为0时，说明对象没有任何引用指向它，可以被回收

缺点：

  • 无法解决循环引用问题：如objA和objB互相引用，但它们都没有被其他对象引用，这时它们的引用计数器都不为0，导致无法被回收。

3.2 可达性分析算法

JVM通过一系列称为GC Roots的对象作为起点，进行可达性分析，节点所走过的路径被称为引用链，当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连的话，则证明这个对象是不可达的，可以被回收。

如下图中：Object6 ~ Object10之间虽然有引用关系，但是它们到GC Roots不可达，因此需要被回收。

哪些对象可以作为GC Roots:

  • 虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象
  • 本地方法栈中引用的对象
  • 方法区中类静态属性引用的对象
  • 方法区中常量引用的对象
  • 所有被同步锁持有的对象
  • JNI（Java Native Interface）引用的对象

可达性分析算法只能判断对象是否不可达，也就是是否“可以被回收”，
但并不代表一定会被回收。

因为对象在第一次被判定为不可达后，如果重写了 finalize 方法，
还有一次自救的机会。此外，垃圾回收本身不是实时执行的，
JVM 也不保证一定会立即回收这些对象。

因此，不可达对象 ≠ 一定被回收。
不过Java9之后，finalize()方法已经被废弃了，因为它影响了Java语言的安全和GC的性能。

3.3 引用类型总结

强引用

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Object obj = new Object();
  • 最常见的引用
  • 只要还有强引用指向对象
    • GC永远不会回收
  • 即使是内存溢出，也不会回收强引用对象
  • 是导致内存泄漏的主要原因之一

软引用

1
SoftReference<Object> softRef = new SoftReference<>(new Object());
  • 特点
    • 内存充足：不回收
    • 内存不足：回收
  • 使用场景
    • 缓存
    • JVM会尽量保留，但是为了避免OOM会回收

弱引用

1
WeakReference<Object> weakRef = new WeakReference<>(new Object());
  • 特点
    • 只要GC进行，无论内存是否充足，都会回收
  • 使用场景
    • ThreadLocal的key
    • Map（如WeakHashMap）
  • ThreadLocal为什么会内存泄漏
    • key是弱引用 -> 会被GC回收
    • value是强引用 -> 还在
    • 导致：key没了，value还在（泄露）

虚引用

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PhantomReference<Object> phantomRef = new PhantomReference<>(new Object(), referenceQueue);
  • 特点
    • 无法通过get()方法获取对象
    • 必须配合ReferenceQueue使用
  • 作用
    • 跟踪对象被GC回收的时机
    • 常用于：
      • 直接内存（Direct Memory）释放
      • 资源清理（比finalize更安全）
引用类型 是否会被回收 使用场景
强引用（Strong Reference） ❌ 不会（只要还引用着） 普通对象
软引用（Soft Reference） ⚠️ 内存不足才回收 缓存
弱引用（Weak Reference） ✅ 下一次 GC 就回收 ThreadLocal、Map
虚引用（Phantom Reference） ⚠️ 必须配合队列 对象回收跟踪

四、垃圾收集算法

4.1 标记-清除算法

标记-清楚算法分为两个阶段：

  • 标记阶段：从GC Roots开始，遍历所有可达对象，并标记它们为存活的对象
  • 清除阶段：遍历整个堆，清除所有未被标记的对象，回收它们占用的内存

缺点：

  • 效率低：需要两次遍历堆，性能较差
  • 内存碎片：清除阶段可能会留下大量不连续的空闲内存，导致内存碎片问题

4.2 复制算法

复制算法原理：
将内存分为两块，每次申请内存时只使用其中的一块，当这一块用完时，就将还存活的对象复制到另一块上，然后一次性清除掉当前使用的内存。

优点：

  • 效率高：只需要一次遍历堆，性能较好
  • 没有内存碎片：每次复制后，内存都是连续的，不会产生碎片

缺点：

  • 内存利用率低：每次只能使用一半的内存，导致内存利用率只有50%

4.3 标记-整理算法

标记-整理算法分为两个阶段：

  • 标记阶段：与标记-清除算法相同，从GC Roots开始，遍历所有可达对象，并标记它们为存活的对象
  • 整理阶段：将所有存活的对象向一端移动，保持它们的相对位置不变，然后清除掉边界以外的内存

优点：

  • 没有内存碎片：通过整理阶段，所有存活对象都被移动到一起，内存是连续的

缺点：

  • 效率较低：需要两次遍历堆，性能较差，

4.4 分代收集算法

分代收集算法基于对象的生命周期假设，将堆内存划分为不同的区域（年轻代、老年代、永久代/元空间），针对不同区域采用不同的垃圾回收算法：

  • 年轻代：使用复制算法，因为大多数对象在这里很快就会
  • 老年代：使用标记-整理算法，因为老年代的对象存活时间较长，内存利用率更重要
  • 永久代/元空间：存储类的元数据，使用标记-清除算法，因为类的元数据通常较少且不频繁回收

五、垃圾回收器

  • Serial收集器(复制算法):新生代单线程收集器，标记和清理都是单线程，优点是简单高效;
  • ParNew收集器(复制算法):新生代收并行集器，实际上是Serial收集器的多线程版本，在多核CPU环境下有着比Serial更好的表现;
  • Parallel Scavenge收集器(复制算法):新生代并行收集器，追求高吞吐量，高效利用CPU。吞吐量=用户线程时间/(用户线程时间+GC线程时间)，高吞吐量可以高效率的利用CPU时间，尽快完成程序的运算任务，适合后台应用等对交互相应要求不高的场景;
  • Serial Old收集器(标记-整理算法):老年代单线程收集器，Serial收集器的老年代版本;
  • Parallel Old收集器(标记-整理算法):老年代并行收集器，吞吐量优先，Parallel Scavenge收集器的老年代版本;
  • CMS(Concurrent Mark Sweep)收集器(标记-清除算法):老年代并行收集器，以获取最短回收停顿时间为目标的收集器，具有高并发、低停顿的特点，追求最短GC回收停顿时间。
  • G1(Garbage First)收集器(标记-整理算法):Java堆并行收集器，G1收集器是JDK1.7提供的一个新收集器，G1收集器基于”标记-整理”算法实现，也就是说不会产生内存碎片。此外，G1收集器不同于之前的收集器的一个重要特点是:G1回收的范围是整个Java堆(包括新生代，老年代)，而前六种收集器回收的范围仅限于新生代或老年代