彻底搞懂 Java 垃圾回收（GC）

在 Java 后端开发、面试、线上性能优化、OOM 排查中GC垃圾回收都是绕不开的核心基石。很多人只知道 GC 是自动回收内存但到底怎么回收、什么时候回收、为什么会卡顿、不同回收器区别是什么一知半解。这篇文章我用最通俗、最详细、最贴近实战的方式把 GC 从头到尾讲透。一、什么是 GC为什么 Java 必须要有 GC1.1 GC 是什么GC Garbage Collection垃圾回收。简单说JVM 自动帮我们找到内存中 “不再使用的对象”并释放内存避免内存泄漏和 OOM。1.2 为什么需要 GCC/C 需要手动malloc/free、new/delete忘记释放 → 内存泄漏重复释放 → 程序崩溃大项目根本管不住Java 的核心思想之一就是让开发者专注业务逻辑内存管理交给 JVM。GC 就是负责这件事的核心机制。二、GC 要回答的三个核心问题所有 GC 机制都围绕这三句话展开哪些对象是垃圾判定算法什么时候回收触发时机怎么回收最高效、最低卡顿回收算法 回收器下面我们逐个彻底讲清楚。三、如何判断一个对象是 “垃圾”3.1 引用计数法简单但被淘汰原理对象被引用一次计数器 1引用失效计数器 -1计数器 0 → 判定为垃圾优点简单、实时。致命缺点无法解决循环引用A a new A(); B b new B(); a.b b; b.a a; a null; b null;此时计数器都不为 0 →永远无法被回收导致内存泄漏。所以JVM 没有使用引用计数。3.2 可达性分析算法JVM 真正使用原理从GC Roots根节点开始向下搜索能搜索到达的对象 存活无法到达 垃圾。哪些可以作为 GC Roots虚拟机栈中引用的对象局部变量、方法参数类静态属性引用的对象常量引用的对象本地方法栈Native 方法引用的对象同步锁synchronized持有的对象只要不在 GC Roots 引用链上就会被判定为可回收对象。3.3 对象真正死亡的过程第一次可达性分析标记为可回收判断是否有必要执行 finalize ()如果在 finalize () 中重新被引用 → “自救” 成功否则第二次标记 →真正成为垃圾注意finalize () 不推荐使用运行代价高不确定性大。四、Java 中的 4 种引用类型面试高频 实战重要不同引用决定了 GC什么时候回收对象。1. 强引用StrongObject obj new Object();最常见只要强引用还在GC 永远不会回收内存不足时宁可 OOM 也不回收2. 软引用Soft内存足够不回收内存即将 OOM才回收适合缓存SoftReferenceObject sr new SoftReference(obj);3. 弱引用Weak只要发生 GC立即回收生命周期最多活到下一次 GC适合短周期缓存、防止内存泄漏WeakReferenceObject wr new WeakReference(obj);4. 虚引用Phantom完全不影响生命周期唯一作用对象被回收时收到通知用来管理直接内存NIO五、垃圾回收的三种基础算法5.1 标记 - 清除算法步骤标记所有垃圾对象统一清除优点简单。缺点效率不高产生大量内存碎片→ 大对象无法分配空间提前触发 Full GC5.2 复制算法把内存分成两块From 和 To只在 From 分配对象垃圾回收时将存活对象复制到 To清空整个 From交换 From 和 To 角色优点速度极快无内存碎片缺点浪费 50% 内存适用场景新生代对象存活率极低5.3 标记 - 整理算法结合前两者优点标记垃圾让所有存活对象向一端移动清理边界以外的内存优点无内存碎片不浪费内存缺点效率较慢适用场景老年代对象存活率高六、Java 分代回收模型JVM GC 的灵魂JVM 根据对象存活时间把堆内存分成两块新生代 老年代不同区域使用不同回收算法这就是分代回收。6.1 新生代Young Generation特点对象朝生夕死每次 GC 90% 对象死亡使用复制算法内部结构Eden 区新对象出生的地方S0From SurvivorS1To Survivor对象分配 回收流程新对象 → EdenEden 满 →Minor GC存活对象复制到 S0下次 GCEden S0 存活 → S1交换 S0/S1对象在 Survivor 来回躲避15 次 GC→ 进入老年代年龄阈值由-XX:MaxTenuringThreshold控制6.2 老年代Old Generation特点对象存活时间极长存活率高使用标记 - 清除 或 标记 - 整理触发 GCMajor GC老年代回收Full GC整堆回收新生代 老年代 元空间速度慢、会 STW线上要尽量避免。6.3 元空间 MetaspaceJDK 8 以后取代永久代存放类信息、方法、常量、代理类不属于堆满了也会触发 GC七、Stop The WorldSTW—— GC 最关键概念STW Stop The World垃圾回收时所有用户业务线程全部暂停直到 GC 结束。所有 GC 都无法完全避免 STW只能尽量缩短。STW 时间越长 → 接口越慢、服务越卡低延迟应用支付、游戏、API必须严控 STW八、7 大经典垃圾回收器详解重点垃圾回收器 算法的具体实现。分为新生代回收器和老年代回收器必须搭配使用。8.1 Serial 收集器串行单线程回收最简单、最古老回收时 STW 时间很长适用小内存、客户端、嵌入式设备搭配Serial Serial Old8.2 ParNew 收集器Serial 的多线程版本新生代专用是早期服务端唯一能和 CMS 配合的新生代回收器适用多 CPU 服务器8.3 Parallel Scavenge目标高吞吐量吞吐量 运行用户代码时间 / (运行用户代码时间 GC 时间)特点多线程并行自适应调节策略不追求低延迟追求CPU 利用率最高适用后台计算批处理日志分析不需要低延迟的场景8.4 Serial OldSerial 的老年代版本单线程标记 - 整理算法8.5 Parallel OldParallel Scavenge 的老年代版本多线程标记 - 整理高吞吐量生产常用组合Parallel Scavenge Parallel Old8.6 CMS 收集器低延迟神器全称Concurrent Mark Sweep目标最短 STW 停顿低延迟执行过程4 步初始标记STW只标记 GC Roots 直接关联对象极快并发标记和用户线程一起跑最慢但不卡顿重新标记STW修正并发标记期间变动的对象并发清除边跑业务边清除垃圾CMS 优点低延迟大部分过程并发用户几乎无感知CMS 缺点占用 CPU 资源产生内存碎片无法处理浮动垃圾并发失败会降级为 Serial Old导致长时间卡顿适用互联网项目、API 服务、支付、后台管理系统8.7 G1 收集器JDK 9 默认生产环境首选G1 Garbage First彻底抛弃分代结构把内存切成许多独立 Region。特点同时回收新生代 老年代可预测停顿时间优先回收垃圾最多的区域无内存碎片大内存6GB优势巨大优点低延迟高吞吐量稳定可控大堆最佳选择现在企业 90% 使用 G18.8 ZGC Shenandoah下一代超低延迟回收器停顿时间毫秒级以下几乎不 STW支持 TB 级内存云原生、大数据、实时系统未来主流九、Minor GC、Major GC、Full GC 区别9.1 Minor GC发生在新生代触发Eden 满频繁速度极快对系统影响小9.2 Major GC发生在老年代速度较慢频率低9.3 Full GC回收整个堆 元空间STW 最长最耗性能线上性能杀手触发 Full GC 的常见原因老年代空间不足元空间不足显式调用System.gc()CMS 并发失败Concurrent Mode Failure大对象无法分配十、GC 日志、命令、排查思路实战必备10.1 最常用 GC 查看命令plaintextjstat -gc 进程ID 1000 10重点看YGC新生代 GC 次数YGT新生代 GC 总时间FGCFull GC 次数FGCTFull GC 总时间健康标准FGC 越少越好单次 Full GC 时间 200msFull GC 后内存明显下降无泄漏10.2 线上 GC 问题表现接口频繁超时CPU 高但业务逻辑不复杂内存居高不下Full GC 频繁GC 后内存不下降 →内存泄漏十一、GC 总结最核心干货一句话记住GC 是 JVM 自动回收无用对象避免 OOM判断垃圾用可达性分析新生代对象存活率低 →复制算法老年代存活率高 →标记 - 清除 / 标记 - 整理STW是 GC 卡顿根源Serial/ParNew/Parallel 追求吞吐量CMS 追求低延迟G1 是目前生产环境绝对主流ZGC/Shenandoah 是未来超低延迟方向Full GC 是线上最大性能杀手必须尽量避免