第3章：垃圾收集器与内存分配策略

一、导读

3.1 本章学习目标

本章讲解垃圾收集的原理和实现：如何判断对象已死、垃圾收集算法、以及各种垃圾收集器的工作原理。

本章的核心学习目标包括：

掌握垃圾收集的判断算法：引用计数法、可达性分析
理解垃圾收集算法：标记-清除、标记-复制、标记-整理、分代收集
掌握主流垃圾收集器：Serial、Parallel、CMS、G1
理解对象分配策略：TLAB、优先在 Eden 区分配

3.2 为什么这一章如此重要

垃圾收集是 JVM 的核心功能。理解垃圾收集的原理，对于：

优化 GC 性能：选择合适的收集器
减少 GC 停顿：调优 GC 参数
避免内存泄漏：理解对象的生命周期
提升应用性能：减少 GC 对业务的影响

二、核心概念详解

2.1 如何判断对象已死

2.1.1 引用计数法

每个对象维护一个引用计数器，引用加 1，释放减 1。计数器为 0 时，对象已死。

优点：简单高效

缺点：无法解决循环引用

java

// 循环引用示例
public class ReferenceCounting {
    public Object partner;
    
    public static void main(String[] args) {
        ReferenceCounting a = new ReferenceCounting();
        ReferenceCounting b = new ReferenceCounting();
        a.partner = b;
        b.partner = a;
        
        a = null;
        b = null;
        // a 和 b 的引用计数都不为 0，但已经无法访问
    }
}

2.1.2 可达性分析

从 GC Roots 开始搜索，搜索到的对象是存活的，未搜索到的对象是已死的。

GC Roots 包括：

虚拟机栈中引用的对象（局部变量）
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 引用的对象

java

// 可达性分析示例
public class ReachabilityAnalysis {
    public static void main(String[] args) {
        Object obj = new Object();  // obj 是 GC Root
        // obj 可达，不会被回收
        
        obj = null;  // obj 不可达，会被回收
    }
}

2.2 垃圾收集算法

2.2.1 标记-清除算法（Mark-Sweep）

过程：

标记所有存活对象

清除所有未标记对象

优点：简单

缺点：内存碎片

标记前：
┌─────┬─────┬─────┬─────┬─────┐
│  A  │  B  │  C  │  D  │  E  │
│存活 │死亡 │存活 │死亡 │存活 │
└─────┴─────┴─────┴─────┴─────┘

清除后：
┌─────┬     ┬─────┬     ┬─────┐
│  A  │     │  C  │     │  E  │
└─────┴─────┴─────┴─────┴─────┘
   ↑ 内存碎片

2.2.2 标记-复制算法（Mark-Copy）

过程：

将内存分为两半

标记存活对象

将存活对象复制到另一半

清除原来的内存

优点：无内存碎片

缺点：浪费一半内存

复制前：
┌─────────────┬─────────────┐
│   From      │    To       │
│ A C E       │             │
└─────────────┴─────────────┘

复制后：
┌─────────────┬─────────────┐
│   From      │    To       │
│             │ A C E       │
└─────────────┴─────────────┘

2.2.3 标记-整理算法（Mark-Compact）

过程：

标记所有存活对象

将存活对象向一端移动

清除边界外的内存

优点：无内存碎片

缺点：移动对象开销大

整理前：
┌─────┬     ┬─────┬     ┬─────┐
│  A  │     │  C  │     │  E  │
└─────┴─────┴─────┴─────┴─────┘

整理后：
┌─────┬─────┬─────┬     │     │
│  A  │  C  │  E  │     │     │
└─────┴─────┴─────┴─────┴─────┘

2.2.4 分代收集算法

根据对象的存活周期，将堆分为新生代和老年代。

新生代：使用标记-复制算法（存活率高）
老年代：使用标记-清除或标记-整理算法（存活率低）

2.3 主流垃圾收集器

2.3.1 Serial 收集器

特点：单线程收集器

适用场景：客户端模式

┌─────────────────────────────────┐
│         应用线程暂停             │
├─────────────────────────────────┤
│  Serial GC 线程（单线程）        │
└─────────────────────────────────┘

运行参数：

bash

-XX:+UseSerialGC  # 新生代使用 Serial，老年代使用 Serial Old

2.3.2 Parallel Scavenge 收集器

特点：多线程收集器，吞吐量优先

适用场景：后台计算

┌─────────────────────────────────┐
│         应用线程暂停             │
├─────────────────────────────────┤
│  GC 线程1  │  GC 线程2  │ ...   │
└─────────────────────────────────┘

运行参数：

bash

-XX:+UseParallelGC  # 新生代使用 Parallel Scavenge
-XX:+UseParallelOldGC  # 老年代使用 Parallel Old
-XX:MaxGCPauseMillis=200  # 最大 GC 停顿时间
-XX:GCTimeRatio=19  # GC 时间占比

2.3.3 CMS 收集器（Concurrent Mark Sweep）

特点：低延迟收集器，并发标记和清除

适用场景：Web 应用

过程：

初始标记（STW）

并发标记

重新标记（STW）

并发清除

┌─────────────────────────────────┐
│  应用线程  │  应用线程  │  应用线程 │
├─────────────────────────────────┤
│  初始标记  │  并发标记  │ 重新标记 │ 并发清除
│   (STW)   │           │  (STW)  │
└─────────────────────────────────┘

运行参数：

bash

-XX:+UseConcMarkSweepGC  # 使用 CMS 收集器
-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=75  # 老年代使用率达到 75% 时触发 CMS
-XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly  # 只使用设定的阈值

缺点：

CPU 敏感
无法处理浮动垃圾
内存碎片

2.3.4 G1 收集器（Garbage-First）

特点：面向全堆，可预测的停顿时间

适用场景：大堆、低延迟

核心概念：

Region：将堆划分为多个大小相等的 Region
Eden、Survivor、Old、Humongous：不同类型的 Region

┌─────┬─────┬─────┬─────┬─────┐
│ Eden│ S0  │ Old │ Old │  H  │
├─────┼─────┼─────┼─────┼─────┤
│ Old │ Old │  H  │ Eden│ S1  │
└─────┴─────┴─────┴─────┴─────┘

过程：

初始标记（STW）

并发标记

最终标记（STW）

筛选回收（STW）

运行参数：

bash

-XX:+UseG1GC  # 使用 G1 收集器
-XX:MaxGCPauseMillis=200  # 最大 GC 停顿时间
-XX:G1HeapRegionSize=4m  # Region 大小
-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=45  # 堆使用率达到 45% 时触发 G1

2.4 对象分配策略

2.4.1 TLAB（Thread Local Allocation Buffer）

每个线程在 Eden 区分配一个私有的内存缓冲区，减少锁竞争。

┌─────────────────────────────────┐
│            Eden 区               │
├──────────┬──────────┬───────────┤
│ TLAB 1   │ TLAB 2   │ TLAB 3    │
│ (线程1)  │ (线程2)  │ (线程3)   │
└──────────┴──────────┴───────────┘

2.4.2 优先在 Eden 区分配

对象优先在 Eden 区分配，Minor GC 后存活的对象进入 Survivor 区，经过多次 Minor GC 后进入老年代。

Eden → Survivor → Old

2.4.3 大对象直接进入老年代

大对象（如长数组、长字符串）直接进入老年代，避免在 Eden 和 Survivor 之间频繁复制。

bash

-XX:PretenureSizeThreshold=1m  # 大于 1MB 的对象直接进入老年代

2.4.4 长期存活的对象进入老年代

对象在 Survivor 区每经过一次 Minor GC，年龄加 1。当年龄达到阈值（默认 15）时，进入老年代。

bash

-XX:MaxTenuringThreshold=15  # 最大年龄阈值

三、重要知识点

3.1 GC 日志分析

bash

# 开启 GC 日志
-XX:+PrintGCDetails
-XX:+PrintGCDateStamps
-Xloggc:gc.log

# 使用 GCViewer 分析 GC 日志
# 下载 GCViewer，打开 gc.log 文件

3.2 垃圾收集器选择

收集器	新生代	老年代	特点	适用场景
Serial	Serial	Serial Old	单线程	客户端模式
Parallel	Parallel Scavenge	Parallel Old	吞吐量优先	后台计算
CMS	ParNew	CMS	低延迟	Web 应用
G1	G1	G1	可预测停顿	大堆、低延迟

3.3 GC 调优原则

减少 Minor GC 频率：增大新生代

减少 Full GC 频率：增大老年代、调整 CMS/G1 触发阈值

减少 GC 停顿时间：使用 G1、调整停顿时间目标

提高吞吐量：使用 Parallel 收集器

四、常见误区与难点

4.1 误区一："GC 越少越好"

GC 是必要的，过多的 GC 会影响性能，但完全没有 GC 会导致内存溢出。

4.2 误区二："G1 总是比 CMS 好"

G1 和 CMS 各有优缺点，需要根据实际场景选择。G1 适合大堆，CMS 适合小堆。

4.3 难点：理解 G1 的 Region 机制

G1 将堆划分为多个 Region，每个 Region 可以是 Eden、Survivor、Old 或 Humongous。理解 Region 的分配和回收机制是掌握 G1 的关键。

4.4 难点：理解并发标记和重新标记

CMS 和 G1 都使用并发标记，但需要重新标记来修正并发标记期间的变动。理解 STW（Stop-The-World）的时机和影响对于调优至关重要。

五、实践应用

5.1 查看 GC 信息

bash

# 查看 GC 情况
jstat -gcutil <pid> 1000

# 查看 GC 原因
jstat -gccause <pid>

# 查看 GC 日志
tail -f gc.log

5.2 调优 GC 参数

bash

# G1 收集器调优
-XX:+UseG1GC
-XX:MaxGCPauseMillis=200
-XX:G1HeapRegionSize=4m
-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=45
-XX:ParallelGCThreads=8
-XX:ConcGCThreads=4

# CMS 收集器调优
-XX:+UseConcMarkSweepGC
-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=75
-XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly
-XX:ParallelGCThreads=8
-XX:ConcGCThreads=4

5.3 分析 GC 日志

bash

# 使用 GCViewer 分析
# 下载 GCViewer：https://github.com/chewiebug/GCViewer

# 使用 GCEasy 在线分析
# https://gceasy.io/

六、本章小结

第3章讲解了垃圾收集器与内存分配策略：

引用计数法：无法解决循环引用

可达性分析：从 GC Roots 搜索存活对象

垃圾收集算法：标记-清除、标记-复制、标记-整理、分代收集

Serial 收集器：单线程，客户端模式

Parallel 收集器：多线程，吞吐量优先

CMS 收集器：低延迟，并发标记和清除

G1 收集器：面向全堆，可预测的停顿时间

对象分配策略：TLAB、优先在 Eden 区分配、大对象直接进入老年代

后续章节将讲解虚拟机性能监控与调优工具。