JVM 垃圾回收机制详解：GC 算法、回收器对比及参数配置​

一、JVM 垃圾回收机制概述

在 Java 的世界里，JVM 就像是一个大管家，负责管理程序运行时的内存。而垃圾回收机制则是这个大管家的一项重要工作，它的主要任务就是清理那些不再被使用的对象，释放它们占用的内存空间，从而保证程序能够稳定、高效地运行。

想象一下，你有一个房间，里面堆满了各种物品。有些物品你已经不再使用了，但它们还占据着空间，让房间变得拥挤不堪。这时候，你就需要定期清理房间，把那些不再需要的物品扔掉，这样房间才能保持整洁，你也能更方便地找到自己需要的东西。JVM 的垃圾回收机制就类似于这个清理房间的过程，它会自动找出那些不再被使用的对象，然后把它们从内存中清除掉。

二、GC 算法详解

2.1 标记 - 清除算法（Mark - Sweep）

标记 - 清除算法是最基础的垃圾回收算法，它的执行过程分为两个阶段：标记阶段和清除阶段。

在标记阶段，垃圾回收器会遍历所有的对象，标记出那些不再被使用的对象。这里的“不再被使用”通常是指没有任何引用指向该对象。例如，下面的 Java 代码：

public class MarkSweepExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个对象
        Object obj1 = new Object(); 
        // 创建另一个对象
        Object obj2 = new Object(); 
        // 让 obj1 不再引用原来的对象
        obj1 = null; 
        // 此时，原来 obj1 指向的对象就不再被引用了
    }
}

在这个例子中，当 obj1 = null 执行后，原来 obj1 指向的对象就不再被引用，在标记阶段会被标记为垃圾对象。

在清除阶段，垃圾回收器会把那些被标记为垃圾的对象所占用的内存空间释放掉。

不过，标记 - 清除算法有一个明显的缺点，就是会产生内存碎片。就好比你清理房间时，只是把不需要的物品扔掉了，但没有对剩下的物品进行整理，这样房间里就会出现很多小块的空闲空间，当需要分配一个较大的连续内存空间时，可能就会因为这些碎片而无法分配。

2.2 标记 - 整理算法（Mark - Compact）

为了解决标记 - 清除算法产生内存碎片的问题，标记 - 整理算法应运而生。它的标记阶段和标记 - 清除算法一样，也是遍历所有对象，标记出不再被使用的对象。

不同的是，在清除阶段，标记 - 整理算法会把所有存活的对象都向内存的一端移动，然后直接清理掉边界以外的所有内存空间。这样就可以避免内存碎片的产生，保证内存空间的连续性。

例如，假设内存中有三个对象 A、B、C，其中 A 和 C 是存活对象，B 是垃圾对象。标记 - 整理算法会把 A 和 C 移动到内存的一端，然后清除掉 B 所占用的空间，使内存变得连续。

2.3 复制算法（Copying）

复制算法将内存空间划分为大小相等的两个区域，每次只使用其中一个区域。当这个区域的内存用完后，垃圾回收器会把存活的对象复制到另一个区域，然后把原来使用的区域全部清空。

例如，有两个区域 From 区和 To 区，初始时使用 From 区。当 From 区内存满时，垃圾回收器会遍历 From 区，把存活的对象复制到 To 区，然后清空 From 区。下一次垃圾回收时，From 区和 To 区的角色互换。

复制算法的优点是实现简单，效率高，而且不会产生内存碎片。但它的缺点也很明显，就是需要浪费一半的内存空间。不过，在新生代的垃圾回收中，由于大部分对象的生命周期都很短，存活的对象很少，所以复制算法非常适用。

2.4 分代收集算法（Generational Collection）

分代收集算法是目前 JVM 中最常用的垃圾回收算法，它根据对象的生命周期将内存划分为不同的区域，每个区域采用不同的垃圾回收策略。

一般来说，JVM 的内存会被划分为新生代和老年代。新生代又可以进一步分为 Eden 区和两个 Survivor 区（通常比例为 8:1:1）。

新创建的对象通常会被分配到 Eden 区，当 Eden 区满时，会触发一次 Minor GC（新生代垃圾回收）。在 Minor GC 中，会采用复制算法，把 Eden 区和一个 Survivor 区中存活的对象复制到另一个 Survivor 区，然后清空 Eden 区和原来的 Survivor 区。

如果一个对象经过多次 Minor GC 仍然存活，就会被晋升到老年代。老年代主要存放生命周期较长的对象，当老年代的空间不足时，会触发一次 Full GC（全量垃圾回收）。Full GC 通常采用标记 - 整理算法，因为老年代中的对象存活时间较长，复制算法会浪费较多的内存空间。

以下是一个简单的 Java 代码示例，用于演示对象的创建和垃圾回收过程：

public class GenerationalCollectionExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个大对象，可能会直接进入老年代
        byte[] largeObject = new byte[1024 * 1024 * 2]; 
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            // 创建大量小对象，会在新生代分配
            byte[] smallObject = new byte[1024]; 
        }
        // 手动触发垃圾回收
        System.gc(); 
    }
}

三、垃圾回收器对比

3.1 Serial 回收器

Serial 回收器是最古老的垃圾回收器，它是单线程的，在进行垃圾回收时，会暂停所有的用户线程，也就是所谓的“Stop The World”。

Serial 回收器适用于单 CPU 环境下的小型应用程序，因为它的实现简单，没有线程切换的开销。例如，在一些嵌入式设备上运行的简单 Java 程序，使用 Serial 回收器可以获得较好的性能。

3.2 Parallel 回收器

Parallel 回收器是 Serial 回收器的多线程版本，它可以利用多个 CPU 核心同时进行垃圾回收，从而提高垃圾回收的效率。

Parallel 回收器也会暂停用户线程，但由于采用了多线程并行处理，所以“Stop The World”的时间会比 Serial 回收器短。它适合于对吞吐量要求较高的应用程序，比如一些批量处理任务的程序。

3.3 CMS 回收器（Concurrent Mark Sweep）

CMS 回收器是一种以获取最短回收停顿时间为目标的回收器，它的主要特点是可以和用户线程并发执行。

CMS 回收器的执行过程分为四个阶段：初始标记、并发标记、重新标记和并发清除。初始标记和重新标记阶段会暂停用户线程，而并发标记和并发清除阶段可以和用户线程并发执行。

CMS 回收器适用于对响应时间要求较高的应用程序，比如 Web 应用程序。但它也有一些缺点，比如会产生内存碎片，而且在并发清除阶段可能会出现“Concurrent Mode Failure”的问题。

3.4 G1 回收器（Garbage - First）

G1 回收器是一种面向服务器端应用的垃圾回收器，它将整个堆内存划分为多个大小相等的 Region。

G1 回收器会优先回收那些垃圾对象较多的 Region，也就是所谓的“Garbage First”。它可以根据用户设置的停顿时间目标，动态地调整垃圾回收的策略，从而在吞吐量和停顿时间之间取得较好的平衡。

G1 回收器适用于大内存、多 CPU 的服务器环境，比如大型企业级应用程序。

四、JVM 垃圾回收参数配置

4.1 堆内存大小配置

可以通过 -Xms 和 -Xmx 参数来设置 JVM 的初始堆大小和最大堆大小。例如：

java -Xms512m -Xmx1024m MainClass

上面的命令将 JVM 的初始堆大小设置为 512MB，最大堆大小设置为 1024MB。这样可以避免 JVM 在运行过程中频繁地进行堆内存的扩展和收缩，提高性能。

4.2 新生代和老年代比例配置

可以通过 -XX:NewRatio 参数来设置老年代和新生代的比例。例如：

java -XX:NewRatio=2 MainClass

上面的命令将老年代和新生代的比例设置为 2:1，也就是老年代占堆内存的 2/3，新生代占堆内存的 1/3。

4.3 垃圾回收器选择配置

可以通过 -XX:+UseSerialGC、-XX:+UseParallelGC、-XX:+UseConcMarkSweepGC 和 -XX:+UseG1GC 等参数来选择不同的垃圾回收器。例如：

java -XX:+UseG1GC MainClass

上面的命令将使用 G1 回收器进行垃圾回收。

五、应用场景分析

5.1 小型应用程序

对于一些小型的 Java 应用程序，如嵌入式设备上的程序或者简单的命令行工具，由于其内存使用量较小，对响应时间的要求也不高，可以选择 Serial 回收器。Serial 回收器实现简单，没有线程切换的开销，能够满足这类应用程序的需求。

5.2 批量处理任务

对于批量处理任务的应用程序，如数据仓库的 ETL 作业，对吞吐量的要求较高，而对停顿时间的要求相对较低。可以选择 Parallel 回收器，它可以利用多 CPU 核心并行处理垃圾回收，提高垃圾回收的效率，从而提高整个应用程序的吞吐量。

5.3 Web 应用程序

Web 应用程序通常对响应时间要求较高，用户希望能够快速地得到服务器的响应。CMS 回收器或者 G1 回收器比较适合这类应用程序。CMS 回收器可以和用户线程并发执行，减少“Stop The World”的时间；G1 回收器可以根据用户设置的停顿时间目标，动态地调整垃圾回收的策略，在吞吐量和停顿时间之间取得较好的平衡。

六、技术优缺点分析

6.1 优点

• 自动内存管理：JVM 的垃圾回收机制使得 Java 程序员不需要手动管理内存，减少了内存泄漏和悬空指针等问题的发生，提高了程序的稳定性和可靠性。
• 多种算法和回收器选择：JVM 提供了多种垃圾回收算法和回收器，程序员可以根据不同的应用场景选择合适的算法和回收器，以达到最佳的性能。
• 动态调整：一些现代的垃圾回收器，如 G1 回收器，可以根据应用程序的运行情况动态地调整垃圾回收的策略，从而在吞吐量和停顿时间之间取得较好的平衡。

6.2 缺点

• Stop The World：大部分垃圾回收器在进行垃圾回收时都会暂停用户线程，也就是“Stop The World”，这会导致应用程序在垃圾回收期间出现短暂的停顿，影响用户体验。
• 性能开销：垃圾回收本身需要消耗一定的 CPU 和内存资源，会对应用程序的性能产生一定的影响。尤其是在进行 Full GC 时，性能开销会更大。

七、注意事项

• 合理配置堆内存大小：堆内存设置得太小会导致频繁的垃圾回收，影响性能；堆内存设置得太大则会增加垃圾回收的时间，也会影响性能。因此，需要根据应用程序的实际情况合理配置堆内存大小。
• 选择合适的垃圾回收器：不同的垃圾回收器适用于不同的应用场景，需要根据应用程序的特点和性能要求选择合适的垃圾回收器。
• 监控和调优：需要对应用程序的垃圾回收情况进行监控，及时发现问题并进行调优。可以使用一些工具，如 VisualVM、JProfiler 等，来监控垃圾回收的频率、停顿时间等指标。

八、文章总结

JVM 的垃圾回收机制是 Java 语言的重要特性之一，它为 Java 程序员提供了自动内存管理的功能，减少了内存管理的复杂度。本文详细介绍了几种常见的 GC 算法，包括标记 - 清除算法、标记 - 整理算法、复制算法和分代收集算法，分析了它们的优缺点和适用场景。

同时，还对比了几种常见的垃圾回收器，如 Serial 回收器、Parallel 回收器、CMS 回收器和 G1 回收器，介绍了它们的特点和适用场景。最后，还介绍了 JVM 垃圾回收的参数配置方法，以及在不同应用场景下的选择和注意事项。

通过对 JVM 垃圾回收机制的深入了解，程序员可以更好地优化 Java 应用程序的性能，提高程序的稳定性和可靠性。