Java JVM 垃圾回收算法详解

Java 虚拟机（JVM）是运行 Java 应用程序的核心，它的垃圾回收（Garbage Collection, GC）机制是 JVM 中非常重要的一个部分。垃圾回收的主要任务是自动管理内存，回收那些不再被使用的对象，从而释放内存空间，避免内存泄漏和提高内存利用率。本文将介绍 JVM 的垃圾回收机制，重点讨论常见的垃圾回收算法。

一、垃圾回收的基本概念

在 JVM 中，内存主要分为以下几个区域：

1. 堆区：存放所有对象实例，垃圾回收主要在这一区域进行。
2. 栈区：存放方法的局部变量、方法调用信息等，不涉及垃圾回收。
3. 方法区：存放已被加载的类信息、常量、静态变量等。
4. 程序计数器：记载下一条执行指令的内存地址。

垃圾回收的核心目标是在堆区中找到不再使用的对象并回收其占用的内存。

二、判断对象是否需要回收

JVM 判断对象是否需要回收主要有以下两种方式：

1. 引用计数法（Reference Counting）：每个对象都有一个引用计数器，当有一个地方引用该对象时，计数器加一；当引用失效时，计数器减一。当计数器为零时，说明对象已经不再被使用，可以进行回收。虽然实现简单，但是无法解决循环引用的问题，因而在 JVM 中并不使用。

2. 可达性分析（Reachability Analysis）：这是 JVM 中最常用的判定方法。通过从一组称为 “GC Roots” 的对象开始，进行可达性分析。如果一个对象到 GC Roots 没有任何引用链相连（即不可达），则判定为不可达对象，可以被回收。

三、垃圾回收算法

JVM 的垃圾回收算法大致可以分为以下几类：

1. 标记-清除算法（Mark-Sweep）：这是最基础的垃圾回收算法。标记阶段从 GC Roots 出发，标记所有可达的对象。清除阶段遍历堆内存，回收没有被标记的对象。缺点是容易产生大量的内存碎片，并且标记和清除两个过程的效率较低。

2. 标记-整理算法（Mark-Compact）：在标记阶段与标记-清除算法相同，区别在于清除阶段，它会将存活的对象压缩到内存的一端，然后清理掉边界以外的内存。这个算法解决了内存碎片的问题，但整理操作耗时较长。

3. 标记-复制算法（Mark-Copying）：该算法将堆内存划分为两块，每次只使用其中一块。当这块内存使用完时，垃圾回收将存活的对象复制到另一块内存中，然后清理掉原来使用的内存。复制算法的优点是没有内存碎片问题，且回收速度较快，但它需要双倍的内存空间。

4. 分代收集算法（Generational Collection）：这是现代 JVM 中广泛使用的垃圾回收算法。根据对象的生命周期将堆分为新生代和老年代。新生代用于存放生命周期短的对象，老年代用于存放生命周期长的对象。新生代采用复制算法，老年代采用标记-整理或标记-清除算法。分代收集算法提高了垃圾回收的效率，特别适合大多数 Java 应用程序的内存分配模式。

四、常见的垃圾收集器

JVM 中有多种垃圾收集器可供选择，每种收集器实现了不同的垃圾回收算法，常见的有：

1. Serial 收集器：单线程收集器，适用于单核 CPU 环境。Serial 收集器在新生代采用复制算法，在老年代采用标记-整理算法。

2. Parallel 收集器：多线程收集器，适用于多核 CPU 环境，侧重吞吐量。新生代使用复制算法，老年代使用标记-整理算法。

3. CMS（Concurrent Mark-Sweep）收集器：并发收集器，主要目标是减少老年代的停顿时间。CMS 采用标记-清除算法。

4. G1（Garbage-First）收集器：新一代收集器，适用于大内存、多 CPU 环境。G1 收集器将堆分成多个区域，采用并发标记-整理算法，能够更好地控制停顿时间。

五、垃圾回收调优

在实际应用中，垃圾回收的性能对 Java 应用的响应时间和吞吐量有显著影响。因此，根据具体应用的特点选择合适的垃圾收集器，并通过调优垃圾回收的相关参数（如新生代和老年代的比例、GC 周期等），能够有效提升应用的性能。

六、总结

JVM 的垃圾回收机制是 Java 程序高效运行的关键。在实际项目中，通过选择合适的垃圾收集器并进行合理的调优，可以最大限度地提高内存利用率，减少 GC 带来的性能影响。