Java 的垃圾回收機(jī)制，包括每種機(jī)制的詳細(xì)原理、實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)、適用場景、調(diào)優(yōu)策略以及相關(guān)的 JVM 參數(shù)。

1. 標(biāo)記-清除（Mark-and-Sweep）

工作原理

• 標(biāo)記階段：

從根對象開始，遞歸遍歷所有可達(dá)的對象（包括靜態(tài)變量、棧幀中的對象、JNI 引用等），并將這些對象標(biāo)記為“存活”。

使用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（如布爾數(shù)組或位圖）來跟蹤對象的標(biāo)記狀態(tài)。

• 清除階段：
• 遍歷堆內(nèi)存中的對象，回收未被標(biāo)記的對象。
• 直接將未標(biāo)記對象的內(nèi)存空間歸還給堆。

實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)

• 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：使用位圖來表示對象的存活狀態(tài)，以減少空間開銷。
• 內(nèi)存分配：標(biāo)記-清除算法通常不需要復(fù)雜的內(nèi)存分配策略，但可能會引入內(nèi)存碎片。

優(yōu)缺點(diǎn)

• 優(yōu)點(diǎn)：

實(shí)現(xiàn)簡單，能處理復(fù)雜的對象圖。

可以回收大對象，不會產(chǎn)生額外的開銷。

• 缺點(diǎn)：
• 清除階段導(dǎo)致內(nèi)存碎片，可能造成內(nèi)存使用效率降低。
• 標(biāo)記和清除階段可能導(dǎo)致長時間的停頓，影響應(yīng)用性能。

適用場景

• 適用于小型應(yīng)用或特定場景下的對象回收，但通常不適合大規(guī)模應(yīng)用。

2. 復(fù)制（Copying）

工作原理

• 內(nèi)存分配：

將堆分為兩個區(qū)域：活躍區(qū)域和空閑區(qū)域。

當(dāng)活躍區(qū)域滿時，將存活對象復(fù)制到空閑區(qū)域，并清空活躍區(qū)域。

實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)

• 內(nèi)存布局：使用兩個相同大小的內(nèi)存區(qū)域，使用指針指向當(dāng)前的活躍區(qū)域。
• 對象移動：通過指針記錄存活對象的位置，避免重復(fù)復(fù)制。

優(yōu)缺點(diǎn)

• 優(yōu)點(diǎn)：

避免了內(nèi)存碎片，存活對象是連續(xù)的。

復(fù)制過程相對快速，適合頻繁的對象創(chuàng)建和銷毀場景。

• 缺點(diǎn)：
• 需要額外的內(nèi)存，實(shí)際使用兩倍的內(nèi)存。
• 長生命周期的對象會頻繁復(fù)制，造成性能損失。

適用場景

• 適合短生命周期對象的場景，如游戲開發(fā)或快速創(chuàng)建對象的應(yīng)用。

3. 標(biāo)記-整理（Mark-and-Compact）

工作原理

• 標(biāo)記階段：與標(biāo)記-清除相同，遍歷對象圖并標(biāo)記存活對象。
• 整理階段：移動存活對象到內(nèi)存的一個端，清除未標(biāo)記的對象，并更新指向這些對象的引用。

實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)

• 移動對象：使用指針數(shù)組來跟蹤存活對象的位置，以更新引用。
• 內(nèi)存重分配：在整理階段，不僅清除未標(biāo)記對象，還通過移動存活對象來壓縮內(nèi)存。

優(yōu)缺點(diǎn)

• 優(yōu)點(diǎn)：

消除了內(nèi)存碎片，優(yōu)化內(nèi)存使用效率。

組織良好的內(nèi)存布局，提高訪問速度。

• 缺點(diǎn)：
• 移動對象帶來額外的開銷，特別是大量對象時。
• 更新引用可能影響性能。

適用場景

• 適合內(nèi)存使用效率要求高的應(yīng)用，如大規(guī)模服務(wù)器應(yīng)用。

4. 分代收集（Generational Collection）

概念

• 年輕代（Young Generation）：

包含新創(chuàng)建的對象，分為 Eden 區(qū)和兩個 Survivor 區(qū)。

由于大多數(shù)對象的生命周期短，因此在這里進(jìn)行頻繁的垃圾回收（Minor GC）。

• 老年代（Old Generation）：
• 存活時間較長的對象。
• 只有在年輕代的垃圾回收無法回收更多空間時，才會進(jìn)行老年代的垃圾回收（Major GC）。

實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)

• Eden 區(qū)：存放新創(chuàng)建的對象，使用復(fù)制算法。
• Survivor 區(qū)：存放存活下來的對象，進(jìn)行多次的復(fù)制和晉升。

優(yōu)缺點(diǎn)

• 優(yōu)點(diǎn)：

高效利用內(nèi)存，通過分代機(jī)制提高垃圾回收的頻率和效率。

大多數(shù)對象在年輕代中會很快被回收，降低了老年代的回收頻率。

• 缺點(diǎn)：
• 對于老年代的回收可能導(dǎo)致長時間的停頓。
• 對于長生命周期的對象，分代的劃分需要合理設(shè)計。

適用場景

• 適用于大多數(shù) Java 應(yīng)用，特別是大型服務(wù)器應(yīng)用。

5. 垃圾回收器

1. Serial GC

• 特點(diǎn)：

僅使用一個線程進(jìn)行標(biāo)記、清除和整理。

• 實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)：
• 適合小堆內(nèi)存和單核處理器。

2. Parallel GC

• 特點(diǎn)：

多線程的實(shí)現(xiàn)，利用多個 CPU 核心。

• 實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)：
• 可以調(diào)節(jié)線程數(shù)以提高吞吐量，通常用于大堆內(nèi)存。

3. Concurrent Mark-Sweep (CMS) GC

• 特點(diǎn)：

并發(fā)標(biāo)記和清除，降低停頓時間。

• 實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)：
• 使用多線程進(jìn)行標(biāo)記階段，清除階段也可以并發(fā)執(zhí)行。

4. G1 GC

• 特點(diǎn)：

將堆分為多個區(qū)域，按需回收。

• 實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)：
• 可以預(yù)測停頓時間，適用于大內(nèi)存和低延遲的應(yīng)用。

5. ZGC

• 特點(diǎn)：

低延遲回收，支持大堆內(nèi)存。

• 實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)：
• 使用并行和并發(fā)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)幾乎不停止應(yīng)用。

6. Shenandoah GC

• 特點(diǎn)：

• 高效低延遲，支持較大的堆。

• 實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)：
• 在回收階段，避免全停頓，通過并行和分區(qū)回收對象。

調(diào)優(yōu)垃圾回收器

1. JVM 參數(shù)

• 選擇垃圾回收器：

使用 -XX:+UseG1GC，-XX:+UseParallelGC 等來指定垃圾回收器。

• 設(shè)置堆內(nèi)存大小：
• 使用 -Xms 和 -Xmx 來設(shè)置初始和最大堆內(nèi)存大小。

調(diào)節(jié)年輕代和老年代的比例：

• 使用 -XX:NewRatio 來設(shè)置年輕代與老年代的比例。

調(diào)節(jié)線程數(shù)量：

• 使用 -XX:ParallelGCThreads 來設(shè)置并行回收的線程數(shù)量。

監(jiān)控和分析工具：

• 使用 JVisualVM、Java Mission Control、JConsole 等工具來監(jiān)控內(nèi)存使用和垃圾回收的性能。

總結(jié)

Java 的垃圾回收機(jī)制是一個復(fù)雜而高效的內(nèi)存管理系統(tǒng)，通過不同的算法和策略，可以最大限度地提高內(nèi)存利用率，降低內(nèi)存管理的復(fù)雜性。理解和優(yōu)化垃圾回收器是提升 Java 應(yīng)用性能的關(guān)鍵之一。在不同的應(yīng)用場景下，選擇合適的垃圾回收機(jī)制和調(diào)優(yōu)策略，可以顯著改善應(yīng)用的響應(yīng)時間和資源使用效率。