垃圾的定义

在 Java 中，垃圾是指 不再被任何活跃的引用所指向的对象，即该对象无法再被程序访问或使用，可以被回收以释放内存空间。

判断对象是否为垃圾的方法

1. 引用计数法（Reference Counting）

   • 原理：每个对象维护一个引用计数器，每当有引用指向该对象时计数加 1，引用失效时计数减 1。计数为 0 时判定为垃圾。
   • 缺点：无法解决 循环引用 的问题，即两个对象互相引用，但均未被外部引用，仍会占用内存不被回收。

2. 根可达性分析（GC Roots Reachability Analysis）

   • 原理：以一系列称为“GC Roots”的对象为起点，从这些对象开始进行图遍历，所有能被访问到的对象都为存活对象，其余未被访问到的对象则为垃圾。
   • 常见的 GC Roots 包括：
     • 虚拟机栈中引用的对象
     • 方法区中类静态属性引用的对象
     • 方法区中常量引用的对象
     • 本地方法栈中 JNI（Native 方法）引用的对象

垃圾回收算法

标记 - 清除（Mark-Sweep）

• 过程：
  • 标记阶段：标记所有存活对象。
  • 清除阶段：清除未被标记的对象。
• 优点：实现简单，效率较高。
• 缺点：
  • 产生 内存碎片，可能导致后续分配大对象时无法找到连续空间，引发 Full GC。
  • 清除后空闲空间非连续，影响后续性能。

标记 - 整理（Mark-Compact）

• 过程：
  • 标记阶段：标记所有存活对象。
  • 整理阶段：将存活对象向内存一端移动，然后清理边界以外的空间。
• 优点：避免内存碎片，空间更规整，有利于后续内存分配。
• 缺点：整理阶段需要移动对象，效率低于标记清除算法。

复制（Copying）

• 过程：
  • 将内存划分为大小相等的两块区域，每次只使用一块。
  • 标记存活对象后，将它们复制到另一块区域，然后清空当前块。
• 优点：
  • 无内存碎片。
  • 实现高效，适合高回收频率的区域。
• 缺点：内存利用率低，需要两倍的内存空间。

分代垃圾回收机制（Generational Garbage Collection）

Java 堆内存按照对象的生命周期划分为 年轻代（Young Generation） 和 老年代（Old Generation）。

年轻代（Young Generation）

• 对象生命周期：大多数对象是“朝生夕死”。
• GC 类型：Minor GC。
• 常用算法：复制算法（Copying），因为对象存活率低，复制成本小。
• 结构：
  • Eden 区
  • From Survivor 区
  • To Survivor 区

老年代（Old Generation）

• 对象生命周期：对象存活时间较长。
• GC 类型：Major GC 或 Full GC。
• 常用算法：标记 - 整理（Mark-Compact）或标记 - 清除（Mark-Sweep）。
  • 标记 - 整理用于避免内存碎片。
  • 标记 - 清除用于提高效率，但需配合内存整理策略使用。

垃圾回收器

垃圾回收器（Garbage Collector, GC）是 Java 虚拟机的核心组件，用于自动管理堆内存，回收无用对象以释放空间。下将重点介绍两种面向低延迟场景的垃圾回收器：CMS（Concurrent Mark Sweep）和 G1（Garbage-First）。

特性	CMS	G1
算法类型	标记 - 清除	标记 - 整理（分区复制）
堆结构	分代式（老年代、新生代）	分区式（Region-based，可动态分配）
STW 时间控制	不可控，依赖堆大小和对象数量	可控，支持设定最大停顿时间目标
内存碎片问题	存在，需额外配置参数应对	不存在，回收时整理内存
浮动垃圾处理	存在并发模式失败风险	更优，回收策略可动态调整
适用场景	对延迟要求高、堆内存较小（如 4~6GB）	大堆内存、高吞吐、低延迟、可预测 GC 暂停

CMS（Concurrent Mark Sweep）

CMS 垃圾回收器的设计目标是响应时间优先，旨在减少 Stop-The-World (STW) 的发生时间与频率，适用于对低延迟和低停顿敏感的应用系统，如 Web 服务、交易系统等。

CMS 垃圾回收过程

CMS 是一款基于标记 - 清除算法的老年代回收器，其垃圾回收过程分为以下四个阶段：

1. 初始标记（Initial Mark）

   • 需要 STW。
   • 该阶段仅标记与 GC Roots 直接关联的存活对象，耗时较短。

2. 并发标记（Concurrent Mark）

   • 与用户线程并发执行。
   • 从初始标记的对象出发，遍历整个对象图，标记所有可达对象。
   • 此阶段可以与应用程序同时运行，减少整体停顿。

3. 重新标记（Remark）

   • 需要 STW。
   • 修复在并发标记阶段由于用户线程运行而导致的引用关系变化，确保最终标记准确。
   • 此阶段耗时较长，但通常优于标记 - 整理算法的停顿时间。

4. 并发清理（Concurrent Sweep）

   • 与用户线程并发执行。
   • 清理未被标记的对象，即垃圾对象，释放内存。
   • 此阶段不整理内存空间，仅进行清除。

CMS 如何实现响应时间优先，其 STW 时间为什么很短？

• 并发标记与并发清理阶段：CMS 在这两个阶段允许垃圾回收线程与用户线程同时运行，大幅减少 GC 停顿时间。
• 采用标记 - 清除算法：该算法相较于标记 - 整理算法执行速度更快，避免了内存整理带来的额外开销。

CMS 的主要弊端

1. 内存碎片问题

   • 原因：CMS 使用标记 - 清除算法，不进行内存压缩整理，长期运行后老年代会产生大量内存碎片。
   • 影响：即使老年代总空间充足，由于碎片化，大对象无法分配，可能触发 Full GC。

2. 浮动垃圾问题（Floating Garbage）

   • 定义：在并发清理阶段，用户线程仍可能生成新的垃圾对象。
   • 影响：若浮动垃圾过多，导致老年代空间不足，CMS 无法完成并发回收，将触发并发模式失败（Concurrent Mode Failure），继而触发 Full GC。

3. Full GC 的退化机制

   • 当 CMS 无法完成并发回收时，将退化为 Serial Old 垃圾回收器。
   • Serial Old 是单线程、STW 的标记 - 整理算法回收器，会导致较长时间的停顿。

G1（Garbage First）

堆内存划分方式

G1 不再采用传统垃圾回收器中“分代”的堆结构（如新生代 + 老年代），而是：

• 将整个堆划分为 多个大小相等的独立区域（Region）。
• 每个 Region 可以是 Eden、Survivor、Old 或 Humongous（用于存储大对象）。
• Region 类型是动态分配的，可以根据需要变化，支持灵活的内存管理策略。

这种“分区（Region-based）”结构，取代了传统的“分代（Generational）”结构，是算法驱动设计的体现。

G1 垃圾回收的详细过程

1. 初始标记（Initial Mark）

   • 需要 STW。
   • 标记 GC Roots 直接可达的对象，同时触发一次 Young GC。

2. 并发标记（Concurrent Mark）

   • 与用户线程并发执行。
   • 遍历对象图，标记所有可达对象。
   • 还会记录对象的存活信息，用于后续回收效率预测。

3. 最终标记（Final Remark）

   • 需要 STW。
   • 处理在并发标记期间发生变化的引用关系，完成标记任务。

4. 混合回收（Mixed GC）

   • 需要 STW，但可以控制回收哪些 Region。
   • G1 根据 Region 中的垃圾比例、回收效率、预期停顿时间等因素，选择部分 Region 进行回收。
   • 使用 复制 - 整理算法，将存活对象复制到新的 Region 中，清理旧 Region，避免内存碎片。

实现机制

• 分区管理：堆被划分为多个 Region，每个 Region 可独立回收。
• 回收策略灵活：G1 会优先回收垃圾对象较多的 Region（Garbage First），提高效率。
• 停顿时间可控：通过预测每个 Region 的回收时间，选择合适数量的 Region 进行回收，以满足用户设定的停顿时间目标。
• 复制 - 整理算法：避免了内存碎片问题，使得 G1 更适合长期运行的大内存系统。

GC 调优

GC 调优的目标是根据应用程序的特性选择合适的垃圾回收器，以满足性能或响应时间的要求。

常见调优策略

• 根据系统需求选择合适的回收器：

  • 吞吐量优先：Parallel Scavenge + Parallel Old（默认于 JDK 8）。
  • 低延迟需求：CMS（适用于老年代），注意处理内存碎片和并发模式失败。
  • 大堆内存 + 可预测停顿：G1，支持高并发、低停顿的全代收集。

• 设置停顿时间目标：

  • G1 中可使用 -XX:MaxGCPauseMillis=200 等参数设定期望的最长时间。

• 调整堆大小与分区大小：

  • 增加堆大小或调整 G1 的 RegionSize，以适配内存需求和对象分配模式。