Java的垃圾回收（GC）机制是每个开发者都绕不开的话题。它既复杂又重要，它是区别于C/C++等语言的重要特性之一，它让开发者从繁琐的内存管理中解放出来。
一、什么需要垃圾回收？
在C/C++中，开发者需要手动分配和释放内存，这经常导致两个问题：
1、 内存泄漏：忘记释放不再使用的内存
2、 野指针：释放后仍然访问该内存区域
Java通过自动垃圾回收机制解决了这些问题。就像有个清洁工（GC）定期来打扫房间（内存），帮你清理掉不再使用的物品（对象）
二、垃圾加收的基本原理
如何判断对象是"垃圾"？GC首先要确定哪些对象可以被回收，主要有两种算法：
1. 引用计数法（简单但Java未采用）
// 伪代码示例
Object a = new Object(); // 对象A引用计数=1
Object b = a; // 对象A引用计数=2
b = null; // 对象A引用计数=1
a = null; // 对象A引用计数=0 → 可回收
缺点：无法解决循环引用问题。
2. 可达性分析法（Java采用）从GC Roots出发，遍历引用链，不可达的对象即为可回收对象。
public class GCDemo {
static Object staticObj = new Object(); // GC Root
public static void main(String[] args) {
Object localObj = new Object(); // GC Root
Object obj1 = new Object(); // 可达
Object obj2 = new Object(); // 可达
obj1 = obj2; // 原obj1引用的对象现在不可达
localObj = null; // 原localObj引用的对象现在不可达
}
}
常见的GC Roots包括：
- 本地变量表中的引用（如方法内的局部变量）
- 活动线程（如当前正在运行的线程）
- 方法区中的静态变量（如Person.name）
三、垃圾回收算法
1. 标记-清除（Mark-Sweep）
- 标记所有可达对象
- 清除未标记对象
缺点：产生内存碎片
2. 复制（Copying）
将内存分为两块，只使用其中一块。GC时把存活对象复制到另一块，然后清空当前块。
优点：无碎片
缺点：内存利用率低
3. 标记-整理（Mark-Compact）
1、 标记所有可达对象
2、 将所有存活对象向一端移动
3、 清理边界外的内存
优点：无碎片，内存利用率高
缺点：移动对象成本高
4. 分代收集（Generational）
Java虚拟机的实际实现，将堆分为：
- 新生代（Young Generation）：新创建的对象
- Eden区
Survivor区（From/To） - 老年代（Old Generation）：长期存活的对象
- 永久代/元空间（方法区）
分代策略：
- 新生代（Young Generation）：存放新创建的对象，采用复制算法（效率高）。
- 老年代（Old Generation）：存放存活时间长的对象，采用标记-整理算法（减少碎片）。
- 元空间（Metaspace）：存放类元数据（替代旧版的永久代）。
分代回收的流程：
1、 Minor GC（Young GC）：回收新生代，频率高、速度快。
2、 Major GC（Full GC）：回收老年代，耗时长、影响性能。
3、 G1的混合GC：同时回收部分Young和Old的Region。
四、Java中的垃圾收集器
1. Serial收集器
单线程，适合客户端应用，简单高效。
2. Parallel收集器
多线程并行GC，注重吞吐量。
3. CMS（Concurrent Mark-Sweep）
并发标记清除，减少停顿时间，但会产生碎片。
4. G1（Garbage-First）
面向服务端的收集器，将堆划分为多个Region，可预测停顿时间。
5. ZGC
Java 11+引入的低延迟收集器，停顿时间不超过10ms。
五、新生代、老年代的垃圾回收器
以下收集器用于新生代：
- Serial（单线程）：
- 算法：复制算法。
特点：单线程工作，适合小内存场景（如Client模式）。
使用场景：简单高效，但吞吐量低，适用于桌面应用。
- ParNew（多线程）：
- 算法：复制算法。
特点：Serial的多线程版本，与CMS老年代收集器配合使用。
使用场景：Server模式下需低停顿的场景（如Web应用）。
- Parallel Scavenge（吞吐量优先）：
- 算法：复制算法。
特点：多线程并行回收，目标是最大化吞吐量（CPU用于用户代码的时间占比）。
使用场景：后台批量处理任务（如大数据计算）。
以下收集器用于老年代：
- Serial Old（单线程）：
- 算法：标记-整理或标记-清除。
特点：Serial的单线程老年代版本，适合小内存场景。
使用场景：与Serial配合，用于简单应用。
- Parallel Old（吞吐量优先）：
- 算法：标记-整理。
特点：Parallel Scavenge的配套老年代收集器，多线程并行，目标是吞吐量。
使用场景：需高吞吐量的后台任务。
- CMS（Concurrent Mark Sweep，并发标记清除）：
- 算法：标记-清除（老年代）。
特点：以低停顿为目标，采用并发回收（与用户线程交替执行）。
缺点：内存碎片化严重，可能导致频繁Full GC。
使用场景：对响应时间敏感的场景（如Web服务器）。 - G1（Garbage-First，分区回收）：
- 算法：混合使用复制和标记-整理。
特点：将堆内存划分为多个 Region，优先回收垃圾最多的区域。
适用性：兼顾吞吐量和低延迟，适合大内存应用。
老年代处理：G1不分严格的新老年代，但通过 Region 分区实现类似逻辑。
六、结语
理解Java垃圾回收机制不仅能帮助我们写出更健壮的代码，还能在性能调优时事半功倍。记住，GC不是万能的，良好的编程习惯才是避免内存问题的根本。优秀的Java开发者不仅要会写代码，还要理解代码在JVM中的生命周期。