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java抢垃圾回收过程

Java的垃圾回收（Garbage Collection，简称 GC）是Java虚拟机（JVM）自动管理内存的核心机制。理解GC的过程，可以从“怎么判断是垃圾”、“在哪里回收”、“用什么算法回收”以及“具体回收流程（对象的一生）”这四个维度来剖析。

以下是完整的 Java 垃圾回收过程详解：

第一步：如何判定对象是“垃圾”？

JVM 在回收内存前，必须先确定哪些对象已经“死了”（即不再被任何途径引用的对象）。主要有两种算法：

  1. 引用计数法（Reference Counting）：
    • 原理：给对象添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器加1；引用失效时，计数器减1。计数器为0的对象就是垃圾。
    • 缺点：Java没有采用这种算法，因为无法解决循环引用的问题（例如：A引用B，B引用A，此外无其他引用，导致两者计数器都不为0，无法回收）。
  2. 可达性分析算法（Reachability Analysis）：
    • 原理：以一系列被称为 “GC Roots” 的根对象作为起点，从这些节点开始向下搜索。如果一个对象到 GC Roots 没有任何引用链相连（用图论的话说，就是从 GC Roots 到这个对象不可达），则证明此对象不可用。
    • 哪些可以作为 GC Roots：
      • 虚拟机栈（栈帧中的局部变量表）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。
      • 本地方法栈中 JNI（Native方法）引用的对象。
      • JVM内部的引用（如系统类加载器、异常对象等）。

第二步：在哪里回收？（分代收集理论）

Java 堆内存（Heap）是 GC 的主战场。根据对象存活周期的不同，JVM 将堆内存分为新生代（Young Generation）和老年代（Old Generation）：

  1. 新生代（Young Gen）：
    • 占堆内存的 1/3 左右。
    • 特点：绝大多数对象都是“朝生夕死”的。
    • 细分为：Eden 区、Survivor From区（S0）、Survivor To区（S1），默认比例为 8:1:1。
  2. 老年代（Old Gen）：
    • 占堆内存的 2/3 左右。
    • 特点：存放生命周期长的、大对象。

第三步：怎么回收？（三大垃圾收集算法）

针对不同的内存区域，采用不同的回收算法：

  1. 标记-复制算法（Copying）（常用于新生代）：
    • 将内存分为两块，每次只使用一块。垃圾回收时，将存活的对象复制到另一块上，然后清除当前这块的所有空间。
    • 优点：效率高，没有内存碎片。
    • 缺点：浪费了一部分内存空间（在新生代中通过 8:1:1 的 Eden/Survivor 划分，将空间浪费降到了 10%）。
  2. 标记-清除算法（Mark-Sweep）（常用于老年代）：
    • 分为“标记”和“清除”两个阶段：先标记出所有需要回收的对象，然后统一回收。
    • 缺点：会产生大量不连续的内存碎片，导致后续大对象无法找到连续空间而触发另一次 GC。
  3. 标记-整理算法（Mark-Compact）（常用于老年代）：
    • 标记过程与“标记-清除”一样，但后续步骤是让所有存活的对象都向内存一端移动，然后直接清理掉边界以外的内存。
    • 优点：没有内存碎片，不需要浪费额外空间。
    • 缺点：移动对象需要暂停用户线程（STW），耗时较长。

第四步：具体回收过程（对象的一生）

这是最核心的执行过程，通常被称为 Minor GC（YGC） 和 Full GC 的交替进行：

1. 对象的诞生

大多数新创建的对象会被分配在 Eden 区。

2. 第一次 Minor GC（新生代垃圾回收）

当 Eden 区没有足够空间进行分配时，虚拟机将发起一次 Minor GC：

  • STW（Stop The World）：暂停所有的用户线程（时间极短）。
  • 进行可达性分析，找出 Eden 区中所有的存活对象。
  • 将 Eden 区和 S0（From）区中存活的对象，一次性复制到 S1（To）区。
  • 清空 Eden 和 S0 区。
  • 存活的对象年龄加 1（此时在 S1 中，年龄为 1）。
  • S0 和 S1 角色互换：此时 S1 变成下一次的 From 区，S0 变成 To 区（始终保持 To 区是空的）。

3. 重复 Minor GC（晋升过程）

随着业务运行，Eden 区再次满了，再次触发 Minor GC：

  • 把 Eden 和当前的 From 区（此时是 S1）中存活的对象复制到 To 区（此时是 S0）。
  • 存活对象年龄再加 1。
  • 当对象的年龄达到阈值（默认是 15 岁，可以通过参数 -XX:MaxTenuringThreshold 设置），这些“老兵”就会被晋升（Promote）到老年代。
  • 特殊情况（动态对象年龄判定）：如果 Survivor 空间中相同年龄所有对象大小的总和大于 Survivor 空间的一半，年龄大于或等于该年龄的对象就可以直接进入老年代，无需等到15岁。
  • 特殊情况（大对象直接入老年代）：非常大的对象（比如很长的字符串或数组）在分配时，如果 Eden 放不下，会直接进入老年代（避免在两个 Survivor 区之间来回复制）。

4. Full GC（整堆垃圾回收）

当老年代空间不足，或者系统检测到晋升到老年代的平均大小大于老年代的剩余空间时，会触发 Full GC（或者 Major GC）：

  • Full GC 会对整个堆内存（新生代、老年代）以及方法区（元空间）进行彻底的垃圾回收。
  • STW 时间较长：因为老年代对象多，标记-整理/清除算法比较慢，会导致明显的系统卡顿。
  • 如果 Full GC 之后，依然没有足够的内存分配给新对象，且堆也无法再扩容，就会抛出 OutOfMemoryError: Java heap space（内存溢出）。

第五步：垃圾收集器（执行 GC 的工具）

JVM 提供了不同的垃圾收集器，根据业务场景选择：

  • Serial / Serial Old：单线程收集器，进行 GC 时必须暂停所有工作线程（STW），适合单核处理器、桌面应用。
  • Parallel Scavenge / Parallel Old：多线程收集器，追求高吞吐量（让CPU更多地用于运行用户代码），是 JDK 8 的默认收集器。
  • CMS（Concurrent Mark Sweep）：以获取最短回收停顿时间（低延迟）为目标的收集器，第一次实现了垃圾回收线程与用户线程几乎同时工作。但会产生碎片（已被废弃）。
  • G1（Garbage-First）：JDK 9+ 的默认收集器。将堆内存拆分为多个独立的 Region（区域），不要求连续，能精确控制停顿时间，支持大内存。
  • ZGC：JDK 11 引入的超低延迟垃圾收集器（停顿时间控制在 10ms 以内），能处理 TB 级别的堆内存。

总结口诀

新对象，生 Eden；
满则筛，剩入 S（Survivor）；
S0/S1 倒手转，每转一次长一岁；
满十五，入老年；
老年满，Full GC（大扫除），扫不干净 OOM！

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