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深入理解 JVM 的几种常见垃圾回收算法

Java 虚拟机（JVM）是 Java 程序的运行环境，而垃圾回收（Garbage Collection, GC）是 JVM 中非常重要的一个机制。它自动管理内存，释放不再使用的对象，防止内存泄漏，从而提高程序的稳定性和性能。本文将详细介绍 JVM 中几种常见的垃圾回收算法，帮助开发者更好地理解和优化 Java 应用程序的内存管理。

一、垃圾回收的基本概念

在深入垃圾回收算法之前，我们需要了解一些基本概念：

堆内存：JVM 将内存分为堆（Heap）和非堆（Non-Heap）。堆是垃圾回收的主要区域，存储所有的对象实例。
新生代和老年代：堆内存通常分为新生代（Young Generation）和老年代（Old Generation）。新生代用于存放新创建的对象，老年代用于存放生命周期较长的对象。
GC Roots：GC Roots 是一组必须活跃的引用。垃圾回收从这些根开始，所有直接或间接引用的对象都被认为是活跃的，不会被回收。

二、常见垃圾回收算法

JVM 中常用的垃圾回收算法主要包括标记-清除算法、复制算法、标记-整理算法和分代收集算法。下面将详细介绍这些算法的原理和特点。

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，分为两个阶段：标记阶段和清除阶段。

标记阶段：从 GC Roots 出发，标记所有可达的对象。
清除阶段：遍历堆中的对象，回收未标记的对象。

这种算法的优点是简单易实现，但也存在一些缺点：

标记和清除过程都需要遍历所有对象，时间复杂度较高。
清除后会产生大量的内存碎片，影响大对象的分配。

2. 复制算法（Copying）

复制算法主要用于新生代垃圾回收，将内存分为两个相同大小的区域：From 和 To。

复制过程：每次只使用 From 区域，回收时将存活的对象复制到 To 区域，然后清空 From 区域。
交换区域：回收结束后，From 和 To 角色交换，To 成为新的 From。

复制算法的优点是避免了内存碎片问题，回收效率较高，但缺点是需要双倍的内存空间。

3. 标记-整理算法（Mark-Compact）

标记-整理算法结合了标记-清除和复制算法的优点，分为标记阶段和整理阶段。

标记阶段：与标记-清除算法相同，标记所有可达的对象。
整理阶段：将所有存活的对象向内存的一端移动，依次排列，释放后面的内存空间。

这种算法解决了内存碎片问题，但整理过程需要移动大量对象，性能开销较大。

4. 分代收集算法（Generational Collection）

分代收集算法基于对象生命周期的不同，将堆内存划分为新生代、老年代和永久代（现为元空间）。新生代和老年代分别采用不同的垃圾回收算法。

新生代：大部分对象在新生代中很快变成垃圾，因此采用复制算法，效率较高。
老年代：对象在老年代存活时间较长，采用标记-整理算法或标记-清除算法。

分代收集算法结合了多种算法的优点，提高了垃圾回收的效率，是目前 JVM 中最常用的垃圾回收策略。

三、JVM 中的几种垃圾回收器

基于上述垃圾回收算法，JVM 实现了多种垃圾回收器，不同的垃圾回收器适用于不同的应用场景。以下是几种常见的垃圾回收器：

1. Serial GC

Serial GC 是最简单的垃圾回收器，适用于单线程环境。它使用标记-清除和复制算法，在进行垃圾回收时会暂停所有应用线程（STW，Stop-The-World）。

-XX:+UseSerialGC

2. Parallel GC

Parallel GC 也称为吞吐量优先垃圾回收器，适用于多线程环境。它使用多线程进行垃圾回收，提高了垃圾回收的效率。

-XX:+UseParallelGC

3. CMS GC（Concurrent Mark-Sweep）

CMS GC 是一种以最小停顿时间为目标的垃圾回收器，适用于响应时间敏感的应用。它的标记阶段和清除阶段大部分是并发进行的，减少了应用的停顿时间。

-XX:+UseConcMarkSweepGC

4. G1 GC（Garbage-First）

G1 GC 是面向服务端应用的新一代垃圾回收器，旨在提供高吞吐量和低停顿时间。它将堆划分为多个区域，采用标记-整理和复制算法，进行全局的垃圾回收。

-XX:+UseG1GC

5. ZGC 和 Shenandoah

ZGC 和 Shenandoah 是两种低延迟垃圾回收器，适用于大内存、高并发的应用场景。它们的目标是在极低停顿时间下进行垃圾回收，适应现代应用对响应时间的高要求。

-XX:+UseZGC
-XX:+UseShenandoahGC

四、垃圾回收调优建议

在实际应用中，选择合适的垃圾回收器和调优参数可以显著提升应用性能。以下是一些调优建议：

根据应用需求选择垃圾回收器：例如，对响应时间要求高的应用可以选择 CMS 或 G1，而对吞吐量要求高的应用可以选择 Parallel GC。
合理设置堆大小：堆大小直接影响垃圾回收的频率和停顿时间，应根据应用内存需求进行设置。
监控垃圾回收日志：通过分析垃圾回收日志，了解垃圾回收的频率、停顿时间和内存使用情况，进行针对性的调优。
使用合适的参数：根据垃圾回收器的特点，设置合适的参数，例如 -XX:NewRatio、-XX:SurvivorRatio、-XX:MaxGCPauseMillis 等。