Java 的垃圾回收机制，包括每种机制的详细原理、实现细节、适用场景、调优策略以及相关的 JVM 参数。
1. 标记-清除（Mark-and-Sweep）
工作原理
- 标记阶段：
从根对象开始，递归遍历所有可达的对象（包括静态变量、栈帧中的对象、JNI 引用等），并将这些对象标记为“存活”。
使用数据结构（如布尔数组或位图）来跟踪对象的标记状态。
- 清除阶段：
- 遍历堆内存中的对象，回收未被标记的对象。
- 直接将未标记对象的内存空间归还给堆。
实现细节
- 数据结构：使用位图来表示对象的存活状态，以减少空间开销。
- 内存分配：标记-清除算法通常不需要复杂的内存分配策略，但可能会引入内存碎片。
优缺点
- 优点：
实现简单，能处理复杂的对象图。
可以回收大对象，不会产生额外的开销。
- 缺点：
- 清除阶段导致内存碎片，可能造成内存使用效率降低。
- 标记和清除阶段可能导致长时间的停顿，影响应用性能。
适用场景
- 适用于小型应用或特定场景下的对象回收，但通常不适合大规模应用。
2. 复制（Copying）
工作原理
- 内存分配：
将堆分为两个区域：活跃区域和空闲区域。
当活跃区域满时，将存活对象复制到空闲区域，并清空活跃区域。
实现细节
- 内存布局：使用两个相同大小的内存区域，使用指针指向当前的活跃区域。
- 对象移动：通过指针记录存活对象的位置，避免重复复制。
优缺点
- 优点：
避免了内存碎片，存活对象是连续的。
复制过程相对快速，适合频繁的对象创建和销毁场景。
- 缺点：
- 需要额外的内存，实际使用两倍的内存。
- 长生命周期的对象会频繁复制，造成性能损失。
适用场景
- 适合短生命周期对象的场景，如游戏开发或快速创建对象的应用。
3. 标记-整理（Mark-and-Compact）
工作原理
- 标记阶段：与标记-清除相同，遍历对象图并标记存活对象。
- 整理阶段：移动存活对象到内存的一个端，清除未标记的对象，并更新指向这些对象的引用。
实现细节
- 移动对象：使用指针数组来跟踪存活对象的位置，以更新引用。
- 内存重分配：在整理阶段，不仅清除未标记对象，还通过移动存活对象来压缩内存。
优缺点
- 优点：
消除了内存碎片，优化内存使用效率。
组织良好的内存布局，提高访问速度。
- 缺点：
- 移动对象带来额外的开销，特别是大量对象时。
- 更新引用可能影响性能。
适用场景
- 适合内存使用效率要求高的应用，如大规模服务器应用。
4. 分代收集（Generational Collection）
概念
- 年轻代（Young Generation）：
包含新创建的对象，分为 Eden 区和两个 Survivor 区。
由于大多数对象的生命周期短，因此在这里进行频繁的垃圾回收（Minor GC）。
- 老年代（Old Generation）：
- 存活时间较长的对象。
- 只有在年轻代的垃圾回收无法回收更多空间时，才会进行老年代的垃圾回收（Major GC）。
实现细节
- Eden 区：存放新创建的对象，使用复制算法。
- Survivor 区：存放存活下来的对象，进行多次的复制和晋升。
优缺点
- 优点：
高效利用内存，通过分代机制提高垃圾回收的频率和效率。
大多数对象在年轻代中会很快被回收，降低了老年代的回收频率。
- 缺点：
- 对于老年代的回收可能导致长时间的停顿。
- 对于长生命周期的对象，分代的划分需要合理设计。
适用场景
- 适用于大多数 Java 应用，特别是大型服务器应用。
5. 垃圾回收器
1. Serial GC
- 特点：
仅使用一个线程进行标记、清除和整理。
- 实现细节：
- 适合小堆内存和单核处理器。
2. Parallel GC
- 特点：
多线程的实现，利用多个 CPU 核心。
- 实现细节：
- 可以调节线程数以提高吞吐量，通常用于大堆内存。
3. Concurrent Mark-Sweep (CMS) GC
- 特点：
并发标记和清除，降低停顿时间。
- 实现细节：
- 使用多线程进行标记阶段，清除阶段也可以并发执行。
4. G1 GC
- 特点：
将堆分为多个区域，按需回收。
- 实现细节：
- 可以预测停顿时间，适用于大内存和低延迟的应用。
5. ZGC
- 特点：
低延迟回收，支持大堆内存。
- 实现细节：
- 使用并行和并发技术，实现几乎不停止应用。
6. Shenandoah GC
- 特点：
- 高效低延迟，支持较大的堆。
- 实现细节：
- 在回收阶段，避免全停顿，通过并行和分区回收对象。
调优垃圾回收器
1. JVM 参数
- 选择垃圾回收器：
使用 -XX:+UseG1GC，-XX:+UseParallelGC 等来指定垃圾回收器。
- 设置堆内存大小：
- 使用 -Xms 和 -Xmx 来设置初始和最大堆内存大小。
调节年轻代和老年代的比例：
- 使用 -XX:NewRatio 来设置年轻代与老年代的比例。
调节线程数量：
- 使用 -XX:ParallelGCThreads 来设置并行回收的线程数量。
监控和分析工具：
- 使用 JVisualVM、Java Mission Control、JConsole 等工具来监控内存使用和垃圾回收的性能。
总结
Java 的垃圾回收机制是一个复杂而高效的内存管理系统，通过不同的算法和策略，可以最大限度地提高内存利用率，降低内存管理的复杂性。理解和优化垃圾回收器是提升 Java 应用性能的关键之一。在不同的应用场景下，选择合适的垃圾回收机制和调优策略，可以显著改善应用的响应时间和资源使用效率。
