Java中的垃圾回收機(jī)制，你知道幾個(gè)?
Java 的垃圾回收機(jī)制，包括每種機(jī)制的詳細(xì)原理、實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)、適用場(chǎng)景、調(diào)優(yōu)策略以及相關(guān)的 JVM 參數(shù)。
1. 標(biāo)記-清除（Mark-and-Sweep）
工作原理
- 標(biāo)記階段：
從根對(duì)象開始，遞歸遍歷所有可達(dá)的對(duì)象（包括靜態(tài)變量、棧幀中的對(duì)象、JNI 引用等），并將這些對(duì)象標(biāo)記為“存活”。
使用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（如布爾數(shù)組或位圖）來跟蹤對(duì)象的標(biāo)記狀態(tài)。
- 清除階段：
- 遍歷堆內(nèi)存中的對(duì)象，回收未被標(biāo)記的對(duì)象。
- 直接將未標(biāo)記對(duì)象的內(nèi)存空間歸還給堆。
實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)
- 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：使用位圖來表示對(duì)象的存活狀態(tài)，以減少空間開銷。
- 內(nèi)存分配：標(biāo)記-清除算法通常不需要復(fù)雜的內(nèi)存分配策略，但可能會(huì)引入內(nèi)存碎片。
優(yōu)缺點(diǎn)
- 優(yōu)點(diǎn)：
實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，能處理復(fù)雜的對(duì)象圖。
可以回收大對(duì)象，不會(huì)產(chǎn)生額外的開銷。
- 缺點(diǎn)：
- 清除階段導(dǎo)致內(nèi)存碎片，可能造成內(nèi)存使用效率降低。
- 標(biāo)記和清除階段可能導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間的停頓，影響應(yīng)用性能。
適用場(chǎng)景
- 適用于小型應(yīng)用或特定場(chǎng)景下的對(duì)象回收，但通常不適合大規(guī)模應(yīng)用。
2. 復(fù)制（Copying）
工作原理
- 內(nèi)存分配：
將堆分為兩個(gè)區(qū)域：活躍區(qū)域和空閑區(qū)域。
當(dāng)活躍區(qū)域滿時(shí)，將存活對(duì)象復(fù)制到空閑區(qū)域，并清空活躍區(qū)域。
實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)
- 內(nèi)存布局：使用兩個(gè)相同大小的內(nèi)存區(qū)域，使用指針指向當(dāng)前的活躍區(qū)域。
- 對(duì)象移動(dòng)：通過指針記錄存活對(duì)象的位置，避免重復(fù)復(fù)制。
優(yōu)缺點(diǎn)
- 優(yōu)點(diǎn)：
避免了內(nèi)存碎片，存活對(duì)象是連續(xù)的。
復(fù)制過程相對(duì)快速，適合頻繁的對(duì)象創(chuàng)建和銷毀場(chǎng)景。
- 缺點(diǎn)：
- 需要額外的內(nèi)存，實(shí)際使用兩倍的內(nèi)存。
- 長(zhǎng)生命周期的對(duì)象會(huì)頻繁復(fù)制，造成性能損失。
適用場(chǎng)景
- 適合短生命周期對(duì)象的場(chǎng)景，如游戲開發(fā)或快速創(chuàng)建對(duì)象的應(yīng)用。
3. 標(biāo)記-整理（Mark-and-Compact）
工作原理
- 標(biāo)記階段：與標(biāo)記-清除相同，遍歷對(duì)象圖并標(biāo)記存活對(duì)象。
- 整理階段：移動(dòng)存活對(duì)象到內(nèi)存的一個(gè)端，清除未標(biāo)記的對(duì)象，并更新指向這些對(duì)象的引用。
實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)
- 移動(dòng)對(duì)象：使用指針數(shù)組來跟蹤存活對(duì)象的位置，以更新引用。
- 內(nèi)存重分配：在整理階段，不僅清除未標(biāo)記對(duì)象，還通過移動(dòng)存活對(duì)象來壓縮內(nèi)存。
優(yōu)缺點(diǎn)
- 優(yōu)點(diǎn)：
消除了內(nèi)存碎片，優(yōu)化內(nèi)存使用效率。
組織良好的內(nèi)存布局，提高訪問速度。
- 缺點(diǎn)：
- 移動(dòng)對(duì)象帶來額外的開銷，特別是大量對(duì)象時(shí)。
- 更新引用可能影響性能。
適用場(chǎng)景
- 適合內(nèi)存使用效率要求高的應(yīng)用，如大規(guī)模服務(wù)器應(yīng)用。
4. 分代收集（Generational Collection）
概念
- 年輕代（Young Generation）：
包含新創(chuàng)建的對(duì)象，分為 Eden 區(qū)和兩個(gè) Survivor 區(qū)。
由于大多數(shù)對(duì)象的生命周期短，因此在這里進(jìn)行頻繁的垃圾回收（Minor GC）。
- 老年代（Old Generation）：
- 存活時(shí)間較長(zhǎng)的對(duì)象。
- 只有在年輕代的垃圾回收無法回收更多空間時(shí)，才會(huì)進(jìn)行老年代的垃圾回收（Major GC）。
實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)
- Eden 區(qū)：存放新創(chuàng)建的對(duì)象，使用復(fù)制算法。
- Survivor 區(qū)：存放存活下來的對(duì)象，進(jìn)行多次的復(fù)制和晉升。
優(yōu)缺點(diǎn)
- 優(yōu)點(diǎn)：
高效利用內(nèi)存，通過分代機(jī)制提高垃圾回收的頻率和效率。
大多數(shù)對(duì)象在年輕代中會(huì)很快被回收，降低了老年代的回收頻率。
- 缺點(diǎn)：
- 對(duì)于老年代的回收可能導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間的停頓。
- 對(duì)于長(zhǎng)生命周期的對(duì)象，分代的劃分需要合理設(shè)計(jì)。
適用場(chǎng)景
- 適用于大多數(shù) Java 應(yīng)用，特別是大型服務(wù)器應(yīng)用。
5. 垃圾回收器
1. Serial GC
- 特點(diǎn)：
僅使用一個(gè)線程進(jìn)行標(biāo)記、清除和整理。
- 實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)：
- 適合小堆內(nèi)存和單核處理器。
2. Parallel GC
- 特點(diǎn)：
多線程的實(shí)現(xiàn)，利用多個(gè) CPU 核心。
- 實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)：
- 可以調(diào)節(jié)線程數(shù)以提高吞吐量，通常用于大堆內(nèi)存。
3. Concurrent Mark-Sweep (CMS) GC
- 特點(diǎn)：
并發(fā)標(biāo)記和清除，降低停頓時(shí)間。
- 實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)：
- 使用多線程進(jìn)行標(biāo)記階段，清除階段也可以并發(fā)執(zhí)行。
4. G1 GC
- 特點(diǎn)：
將堆分為多個(gè)區(qū)域，按需回收。
- 實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)：
- 可以預(yù)測(cè)停頓時(shí)間，適用于大內(nèi)存和低延遲的應(yīng)用。
5. ZGC
- 特點(diǎn)：
低延遲回收，支持大堆內(nèi)存。
- 實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)：
- 使用并行和并發(fā)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)幾乎不停止應(yīng)用。
6. Shenandoah GC
- 特點(diǎn)：
- 高效低延遲，支持較大的堆。
- 實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)：
- 在回收階段，避免全停頓，通過并行和分區(qū)回收對(duì)象。
調(diào)優(yōu)垃圾回收器
1. JVM 參數(shù)
- 選擇垃圾回收器：
使用 -XX:+UseG1GC，-XX:+UseParallelGC 等來指定垃圾回收器。
- 設(shè)置堆內(nèi)存大小：
- 使用 -Xms 和 -Xmx 來設(shè)置初始和最大堆內(nèi)存大小。
調(diào)節(jié)年輕代和老年代的比例：
- 使用 -XX:NewRatio 來設(shè)置年輕代與老年代的比例。
調(diào)節(jié)線程數(shù)量：
- 使用 -XX:ParallelGCThreads 來設(shè)置并行回收的線程數(shù)量。
監(jiān)控和分析工具：
- 使用 JVisualVM、Java Mission Control、JConsole 等工具來監(jiān)控內(nèi)存使用和垃圾回收的性能。
總結(jié)
Java 的垃圾回收機(jī)制是一個(gè)復(fù)雜而高效的內(nèi)存管理系統(tǒng)，通過不同的算法和策略，可以最大限度地提高內(nèi)存利用率，降低內(nèi)存管理的復(fù)雜性。理解和優(yōu)化垃圾回收器是提升 Java 應(yīng)用性能的關(guān)鍵之一。在不同的應(yīng)用場(chǎng)景下，選擇合適的垃圾回收機(jī)制和調(diào)優(yōu)策略，可以顯著改善應(yīng)用的響應(yīng)時(shí)間和資源使用效率。
