Java中的JVM垃圾回收算法详解

题目描述
垃圾回收算法是JVM自动内存管理的核心，负责识别并回收不再使用的对象。常见的垃圾回收算法包括标记-清除、标记-复制、标记-整理等，每种算法都有其特定的工作原理、优缺点和适用场景。

知识要点

1. 标记-清除算法
2. 标记-复制算法
3. 标记-整理算法
4. 分代收集理论

详细讲解

1. 垃圾回收的基本概念

• 目标：自动回收堆内存中不再被引用的对象
• 关键步骤：标记（找出存活对象）→ 回收（清理垃圾对象）
• 评判标准：内存利用率、停顿时间、吞吐量

2. 标记-清除算法

步骤分解：
1. 标记阶段：从GC Roots开始遍历，标记所有可达对象为"存活"
2. 清除阶段：遍历整个堆，回收未被标记的对象内存

示例流程：
初始堆状态：[A(存活), B(垃圾), C(存活), D(垃圾)]
标记阶段：标记A、C为存活状态
清除阶段：回收B、D占用的内存
最终堆状态：[A(存活), C(存活), 空闲, 空闲]

优缺点分析：
优点：实现简单，不需要对象移动
缺点：
- 产生内存碎片（内存不连续）
- 分配效率低（需要遍历空闲链表）
- 执行效率随堆大小增加而下降

3. 标记-复制算法

核心原理：将内存分为大小相等的两块，每次只使用一块
工作流程：
1. 标记阶段：标记存活对象
2. 复制阶段：将存活对象复制到另一块内存
3. 清理阶段：清空当前使用的整块内存

内存布局示例：
内存A：[A(存活), B(垃圾), C(存活)]  
内存B：[空闲, 空闲, 空闲]
复制后：
内存A：[全部清空]
内存B：[A(存活), C(存活), 空闲]

优缺点分析：
优点：
- 无内存碎片问题
- 分配高效（指针碰撞分配）
缺点：
- 内存利用率只有50%
- 复制存活对象有开销
适用场景：存活对象较少的年轻代（如Serial、ParNew回收器）

4. 标记-整理算法

执行步骤：
1. 标记阶段：与标记-清除相同，标记所有存活对象
2. 整理阶段：将所有存活对象向内存一端移动
3. 清理阶段：清理边界外的所有内存

内存变化示例：
整理前：[A(存活), B(垃圾), C(存活), D(垃圾)]
整理后：[A(存活), C(存活), 空闲, 空闲]

优缺点分析：
优点：
- 无内存碎片问题
- 内存利用率高
缺点：
- 移动对象需要更新引用
- 停顿时间相对较长
适用场景：存活对象较多的老年代（如CMS的并发失败后备方案）

5. 分代收集理论

理论基础：不同对象的生命周期特征不同
内存划分：
- 年轻代（Young Generation）
  - 特点：对象朝生夕死，回收频繁
  - 算法：标记-复制算法（如Eden+Survivor模式）
  - 回收类型：Minor GC/Young GC

- 老年代（Old Generation）  
  - 特点：对象存活时间长
  - 算法：标记-清除或标记-整理
  - 回收类型：Major GC/Old GC

- 元空间（Metaspace）
  - 存储类元数据信息
  - 回收条件比较苛刻

分代收集流程示例：
1. 新对象分配在Eden区
2. Eden区满时触发Minor GC
3. 存活对象复制到Survivor区
4. 年龄达到阈值的对象晋升到老年代
5. 老年代空间不足时触发Full GC

6. 算法对比与选择

实际应用

• Parallel Scavenge：年轻代用复制算法，老年代用标记-整理
• CMS：老年代主要用并发标记-清除，碎片多时用标记-整理
• G1：将堆划分为多个Region，综合运用各种算法
• ZGC：采用染色指针和读屏障技术，减少停顿时间