JVM 垃圾回收机制完整详解

一、核心前置概念1. 什么是 GCGarbage CollectionGC 垃圾回收指 JVM 自动识别不再被引用的对象释放堆内存避免手动管理内存区别 C/C 手动 malloc/free。 GC 核心解决两个问题怎么判断对象是垃圾存活判定怎么回收垃圾回收算法、收集器、内存分代2. JVM 内存分区与 GC 范围JVM 运行时数据区分为 5 块只有堆、元空间永久代存在 GC程序计数器无 GC线程私有生命周期随线程虚拟机栈 / 本地方法栈栈帧自动出栈释放不依赖 GC元空间MetaspaceJDK8存放类、常量、静态变量回收条件苛刻堆 HeapGC 主战场所有 new 创建的对象存放于此分代管理。3. 堆内存分代模型主流分代收集思想绝大多数收集器将堆划分为两大块依据对象存活时间差异化回收新生代 Young Gen存放短期存活对象占堆 1/3Eden 区80% 新生代绝大多数对象诞生于此Survivor0 / Survivor1S0、S1幸存区各 10% 新生代永远一块空、一块存存活对象老年代 Old Gen存放长期存活对象占堆 2/3 对象晋升规则新生代对象熬过多次 Minor GC默认 15 次进入老年代大对象直接进老年代。GC 分类Minor GC年轻代 GC只回收新生代频率高、速度快触发后 STW 很短Major GC仅回收老年代很少单独触发Full GC整堆回收新生代 老年代 元空间STW 极长业务需极力避免二、对象存活判定两种垃圾标记算法GC 第一步标记哪些对象是垃圾核心难点是循环引用。1. 引用计数法逻辑每个对象维护计数器引用 1引用失效 - 1计数 0 即为垃圾。 缺陷无法解决对象循环引用A 引用 BB 引用 A计数器永远不为 0因此 JVM 弃用。2. 可达性分析算法核心逻辑从GC Roots根对象向下遍历能遍历到的对象判定为存活不可达为垃圾。GC Roots 包含哪些对象虚拟机栈中局部变量引用的对象本地方法栈 JNI 引用的对象静态变量、常量引用的对象元空间运行中线程、锁对象、Class 对象等四种引用强引用Object o new Object()GC 永不回收内存溢出根源软引用 SoftReference内存不足时才回收适合缓存弱引用 WeakReference下次 GC 必回收ThreadLocalMap 底层使用虚引用 PhantomReference仅做回收通知无法获取对象用于堆外内存释放三、三大垃圾回收基础算法标记完成后使用以下算法清理内存收集器都是组合使用。1. 标记 - 清除 Mark-Sweep流程1. 标记垃圾 → 2. 直接清除垃圾 优点逻辑简单无需移动对象 缺点内存产生大量内存碎片分配大对象时容易触发 Full GC2. 复制 Copying流程将存活对象复制到空白内存区清空原区域 新生代 EdenS0/S1 就是此算法 Eden 满了存活对象复制到空 Survivor清空 Eden下次 GC 交换两块 Survivor。 优点无内存碎片分配内存只需指针碰撞速度极快 缺点需要双倍内存空间不适合大对象老年代不用3. 标记 - 整理 Mark-Compact流程1. 标记垃圾 → 2. 所有存活对象向内存一端移动边界外全部清空 优点无内存碎片适合老年代长期对象 缺点移动对象需要 STW开销比标记清除大算法总结新生代复制算法对象存活率低复制成本小老年代标记清除 / 标记整理对象存活率高复制代价太大四、分代回收完整流程新对象全部分配在 Eden 区Eden 空间耗尽触发 Minor GC通过可达性分析标记 Eden、使用中的 Survivor 存活对象将存活对象复制到空白 Survivor 区对象年龄 1Eden、原 Survivor 全部清空交换两块 Survivor 角色对象年龄达到阈值-XX:MaxTenuringThreshold15直接晋升老年代若 Survivor 放不下存活对象存活对象直接晋升老年代分配担保Minor GC 前会检查老年代可用空间若不足直接触发 Full GC。五、STWStop-The-World关键概念含义GC 标记、复制、整理阶段所有用户业务线程全部暂停只运行 GC 线程弊端停顿时间过长会导致接口超时、服务卡顿收集器迭代核心目标降低 STW 时长补充CMS、G1、ZGC 使用并发标记仅初始标记、重新标记阶段短暂 STW。六、主流垃圾收集器分代 / 分区 / 低延迟1. Serial 串行收集器单线程客户端小程序Serial Young新生代复制Serial Old老年代标记整理全程单线程 GC全部 STW单核机器简单场景使用生产极少用2. Parallel 并行收集器JDK 默认吞吐量收集器Parallel Scavenge新生代 Parallel Old老年代GC 使用多线程并行回收用户线程全程暂停目标最大化吞吐量运行代码时间 / 总运行时间适合后台批处理、数据同步不追求低停顿。3. CMS 并发标记清除JDK8 经典老年代收集器JDK14 废弃第一款并发收集器目标低延迟老年代专用搭配 ParNew 新生代。CMS 四大阶段初始标记STW仅标记 GC Roots 直接关联对象停顿极短并发标记无 STWGC 线程和业务线程同时运行遍历全部对象重新标记STW修正并发阶段业务线程新增的垃圾短暂停顿并发清除无 STW并发清理垃圾CMS 致命缺陷使用标记清除产生大量内存碎片频繁 Full GC并发阶段业务线程持续创建对象可能出现并发失败退化为 Serial Old 单线程 Full GC停顿暴涨浮动垃圾并发清除阶段新产生对象本次无法回收只能等下次 GC。4. G1Garbage-FirstJDK9 默认分区式收集器打破传统分代将整个堆划分为多个大小相等的独立 Region1M~32M 每个 Region 可动态充当 Eden、Survivor、Old不再固定新生代 / 老年代边界。核心优势可自定义预期停顿时间-XX:MaxGCPauseMillis优先回收垃圾最多的 Region整合复制 标记整理全程无内存碎片兼顾吞吐量与低延迟替代 CMS中小型生产通用。G1 五大阶段初始标记 (STW) → 并发标记 → 最终标记 (STW) → 筛选回收 (STW)5. ZGC / Shenandoah超低延迟收集器JDK11 企业级面向超大堆TB 级STW 停顿控制在10ms 以内 使用读屏障、染色指针、负载转发几乎全程并发大型高并发服务首选。七、内存分配与特殊规则指针碰撞分配新生代内存连续分配对象仅移动指针速度快TLAB 线程本地分配缓冲区每个线程私有一小块 Eden避免多线程分配锁竞争大对象直接晋升老年代超过 - XX:PretenureSizeThreshold 的对象跳过新生代防止大量复制动态年龄判断Survivor 中相同年龄对象总大小超过 Survivor 一半该年龄及以上对象直接晋升老年代无需等到 15 岁。八、常见 GC 优化方向避免 Full GC控制大对象、合理设置新生代大小、避免内存泄漏选择合适收集器批处理用 Parallel高并发接口用 G1/ZGC调优分代比例Xms/Xmx 固定堆大小避免运行时扩容缩容排查内存泄漏静态集合长期持有对象、ThreadLocal 未清理、IO 流未关闭开启 GC 日志分析停顿、内存升降、晋升频率。九、整体总结GC 本质自动识别不可达对象释放堆内存核心算法是可达性分析堆按对象生命周期分代新生代复制算法、老年代标记整理 / 清除GC 存在 STW收集器演进路线串行→并行→并发 CMS→分区 G1→超低延迟 ZGCMinor GC 高频轻量Full GC 代价极高线上业务核心优化目标就是减少 Full GC。