在 Java 的世界里，垃圾回收（Garbage Collection，GC）就像一位默默奉献的清洁工，负责清理那些不再被需要的对象。
没有 GC，我们的程序内存迟早会被耗尽。但 GC 的运作并非无代价，不合适的垃圾回收策略可能导致高延迟甚至性能瓶颈。
本章将带你深入理解 JVM 的垃圾回收机制，从垃圾回收算法到收集器设计，再到 GC 日志分析与调优实践。
通过对这些内容的掌握，您将能在高并发场景下为 JVM 选择最佳的垃圾回收管理方案。
垃圾回收重点关注的区域
在 Java 虚拟机中，垃圾回收机制主要关注于运行时数据区的 "堆空间" 中的数据，其次关注的是 "方法区" 中的数据。
从垃圾回收频率上讲，新生代、老年代、字符串常量池 和 元空间 都是垃圾回收的重点关注区域。
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垃圾回收算法
垃圾回收算法是垃圾收集器的基础。JVM 中经典的算法包括标记-清除、复制和标记-整理，它们共同构成了分代垃圾回收策略的理论基础。
标记-清除算法（Mark-Sweep）
算法原理
标记-清除是最早的垃圾回收算法之一，主要分为两个阶段：
- 标记阶段：从 GC Roots 出发，遍历所有可达对象并将其标记为存活对象。
- 清除阶段：回收未被标记的对象，释放其占用的内存。
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优点：实现简单，适合存活对象少的场景。
缺点：内存碎片化：未被回收的对象分布不连续，可能导致大对象无法分配；性能低下，需要完整遍历堆，耗时较长。
标记-清除算法通常用于老年代的垃圾回收，适合生命周期较长、存活率高的对象。
复制算法（Copying）
复制算法将堆分为两块相等的内存区域（From 和 To）。每次 GC 时，只扫描 From 区，将存活对象复制到 To 区，最后清空 From 区。
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优点：没有碎片化问题，内存分配效率高。
缺点：浪费内存：需要额外空间保存对象；不适合老年代，存活对象多时复制成本高。
复制算法通常用于新生代回收，新生代对象存活率低，复制成本较低。
标记-整理算法（Mark-Compact）
标记-整理（Mark-Compact）是标记-清除的改进版，标记阶段相同，但清除阶段会将存活对象移动到内存的一端，然后清理剩余空间。
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优点：消除了内存碎片。不需要额外空间。
缺点：对象移动成本较高。
标记-整理算法通常用于老年代回收，解决老年代内存碎片问题。
分代收集算法
上面所介绍的 标记清除算法、复制算法 和 标记整理算法，它们各自都具有自己独特的优势和特点，每种算法都有各自相适应的场景，没有一种算法可以完全替代另一种算法。
在这样的背景下 分代收集算法 孕育而生，由于每个对象的生命周期各不相同，有的对象可以长期存活，有的对象朝生夕灭。
因此，针对不同生命周期的对象，可以采取不同的回收方式来提高回收效率。
在一般情况下，市面上大多数 Java 虚拟机中的 GC 都采用分代收集，即将 堆空间 划分为 新生代 和 老年代，不同生命周期的对象放到不同的区域中进行存储，并且针对不同的区域采用不同的回收策略，这就是我们常说的 分代收集 (Generational Collection)。
垃圾收集器深入解析
JVM 中的垃圾收集器基于上述算法设计，针对不同场景优化性能。接下来，我们深入剖析常见收集器的实现原理和应用场景。
Serial 收集器
Serial 收集器是单线程收集器，采用复制算法回收新生代，标记-整理算法回收老年代。GC 时会 Stop-The-World（STW），暂停所有应用线程。
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特点
- 实现简单，单线程操作效率高。。
- 使用 复制算法 回收新生代，标记-整理算法 回收老年代。
- 没有线程切换的开销。
- GC 时应用完全暂停，延迟较高。
适用于单线程应用或内存占用较小的场景，如嵌入式设备和简单的命令行工具。
-XX:+UseSerialGC: 启用 Serial 新生代和 Serial Old 老年代回收器。
ParNew 回收器
arNew GC 是一款并行回收器，除了在进行垃圾回收时使用多线程并发执行外，其它方面几乎和 Serial GC 一致，包括 回收算法、Stop The World、对象分配规则 和 回收策略 等，因此常称 ParNew GC 为 Serial GC 的多线程版本。
不过 ParNew GC 属于新生代回收器，只能对新生代中的对象进行回收。
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◆ 优点:
① 支持并行回收: ParNew GC 支持多线程并行进行回收，可以利用多核 CPU 的优势，提高垃圾回收的效率；
② 回收效率高且停顿时间短: ParNew GC 是一个专门用于回收年轻代的垃圾垃圾回收器，使用的是复制算法，并且回收的空间比价小，所以回收效率高且停顿时间短；
◆ 缺点:
① 浪费部分内存空间: ParNew GC 使用的是复制算法，需要将内存空间拆成两份，每次只使用其中一份内存空间存储对象，所以比较浪费内存空间；
② 老年代垃圾回收效率低: 由于 ParNew GC 只用于年轻代垃圾回收，而不处理老年代垃圾回收，因此老年代的垃圾回收效率低下，容易导致 Full GC；
◆ ParNew 回收器常配置参数。
① -XX:+UseParNewGC: 启用新生代回收器 ParNew。
② -XX:ParallelGCThreads: 配置 GC 的线程数量，通常推荐该值和 CPU 核心数量保持一致。
Parallel 收集器
Parallel 收集器使用多线程并行回收新生代（复制算法）和老年代（标记-整理算法），以提高吞吐量。
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特点:
- 多线程并行回收，适合多核 CPU。
- 优化吞吐量，回收时应用暂停时间较长。
- STW 时间较长，对低延迟场景不友好。
适用于吞吐量优先的后台任务，如大数据处理和批量计算。
Parallel 回收器常配置参数:
- -XX:+UseParallelGC: 启用新生代回收器 Parallel Scavenge。
- -XX:+UseParallelOldGC: 启用老年代回收器 Parallel Old。
- -XX:ParallelGCThreads: 配置 GC 的线程数量，通常推荐该值和 CPU 核心数量保持一致。
- -XX:MaxGCPauseMillis: 配置 GC 回收最大停顿时间，即 Stop The World 时间。
- -XX:GCTimeRatio：配置 GC 回收时间占总时间的比例，用于衡量吞吐量的大小，取值范围为 0-100，默认值为 99，也就表示垃圾回收时间不超过 1%。
该参数与 -XX:MaxGCPauseMillis 参数有一定矛盾性，因为设置较短的停顿时间可能会导致更多的 GC 次数，从而增加总的 GC 时间，使得 GCTimeRatio 容易超过设定的比例。
- -XX:+UseAdaptiveSizePolicy:配置 Parallel Scavenge 回收器具有自适应调节策略。
- 在这种模式下，新生代 Eden 和 Survivor 的比例、晋升老年代的对象年龄等参数会被自动调整，期望在堆大小、吞吐量和停顿时间之间达到最佳平衡。
- 在手动调优比较困难的场合，可以直接使用这种自适应的方式，仅指定虚拟机的最大堆、目标的吞吐量 (GCTimeRatio) 和停顿时间 (MaxGCPauseMillis)，让虚拟机自己完成调优工作。
CMS 收集器
CMS 收集器使用并发回收方式，降低 STW 时间，这款回收器是 HotSpot 虚拟机中第一款真正意义上的并发回收器，它第一次实现了让垃圾收集线程与用户线程同时工作。
CMS GC 是一款老年代回收器，其主要回收目标就是老年代中的对象，使用的是标记清除算法。
老年代回收分为四个阶段：
- 初始标记：标记 GC Roots 可达的对象（STW）。
- 并发标记：并发扫描对象引用关系（无 STW）。
- 重新标记：处理并发期间新增的对象（STW）。
- 并发清除：清理无效对象（无 STW）。
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特点:
- 并发回收，减少暂停时间。
- 存在内存碎片化问题。
- 并发时可能影响应用性能。
适用于响应时间敏感的场景，如 Web 应用和在线交易系统。
CMS 回收器可配置参数：
- -XX:+UseConMarkSweepGC: 启用 CMS 老年代回收器。
- -XX:ParallelcMSThreads: 设置 CMS GC 执行时的线程数量。
- -XX:CMSInitiatingOccupanyFraction: 设置堆内存使用率的阈值，一旦达到该阈值，便开始进行回收。
- -XX:+UseCMSCompactAtFullCollection: 设置是否在执行完 Full GC 前对内存空间进行压缩整理，以此避免内存碎片的产生。
- -XX:CMSFullGCsBeforeCompaction: 设置在执行多少次 Full GC 后对内存空间进行压缩整理。
G1 收集器
G1 将堆划分为多个固定大小的 Region，每个 Region 都是连续的一段内存区域，大小在 1MB ~ 32MB 之间，且为 2 的 N 次幂，具体大小根据堆的实际大小而定。
并且每个 Region 扮演着不同的角色，比如可以是 Eden 区、Survivor 区、Old 区或 Humongous 区等，通过全局标记统计每个 Region 的垃圾量，优先回收垃圾最多的 Region，降低停顿时间。
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G1 回收器整体使用的是 标记-整理算法，局部使用的是 复制算法。
在 G1 中支持三种回收模式，分别为 Young GC、Mixed GC 和 Full GC:
- Young GC: 对新生代中的 Region 进行回收。当新生代的空间不足时会触发 Young GC，回收新生代中的垃圾对象。
- Mixed GC: 这是一种混合回收模式，不仅回收新生代中的 Region，还会回收部分老年代中的 Region。这种模式旨在减少 Full GC 的频率，通过定期回收部分老年代 Region 来降低整个堆的垃圾积累。
- Full GC: 对整个堆空间的所有 Region 进行回收，包括新生代和老年代。Full GC 通常在 G1 无法通过 Mixed GC 清理足够的空间时触发，或者在某些特殊情况下触发 (如系调用 system.gc() 方法触发)。
G1 回收器优缺点
◆ 优点:
可预测的停顿时间: G1 GC 将堆空间分成多个大小相等的 Region (区域)，这些 Region 可以作为 Eden 区、Survivor 区或 Old 区等。通过在多个 Region 中执行并发垃圾收集，G1 能够实现可预测的停顿时间，这意味着垃圾收集的停顿时间可以预测和控制；
高效的内存回收: G1 GC 使用增量式的垃圾收集算法，不仅在特定区域中进行垃圾回收，还在整个堆中进行。这种全局性的垃圾回收方式使得 G1 能够高效地回收内存，并减少垃圾收集的停顿时间；
优化的内存分配: G1 GC 使用了一种名为 Remembered Set 的数据结构，可以追踪对象之间的引用，从而在内存分配时避免扫描整个堆。这一特性可以显著减少内存分配的时间；
空间整理: G1 GC 通过对未使用的 Region 进行空间整理，将零散的空闲空间合并成更大的连续空间块，从而优化内存使用，提高堆的利用率；
◆ 缺点:
对硬件资源要求较高: G1 GC 需要在多核 CPU 和大内存环境下运行才能充分发挥其优势。如果在较小的硬件资源上运行，可能会导致运行缓慢或 OutOfMemoryError 等问题；
初始标记和最终标记的时间较长: G1 GC 的初始标记和最终标记阶段需要单线程执行，并且会暂停应用程序。在处理大型内存空间时，这两个阶段可能会导致较长的停顿时间；
混合收集过程可能会影响吞吐量: G1 GC 的混合收集过程涉及多次暂停应用程序，这可能会对应用程序的吞吐量产生一定的影响；
