JVM 垃圾回收机制详解

垃圾回收（GC）是 Java 相比 C/C++ 最大的优势之一。理解 GC 的工作原理，是排查内存问题和性能调优的基础。

分代模型

JVM 堆内存分为年轻代（Young Generation）和老年代（Old Generation）。

graph LR
    Heap[JVM Heap] --> Young[年轻代]
    Heap --> Old[老年代]
    Young --> Eden[Eden 区]
    Young --> S1[Survivor 0]
    Young --> S2[Survivor 1]

对象的生命周期

1. 新对象分配在 Eden 区
2. Eden 满了触发 Minor GC，存活对象复制到 Survivor 0
3. 来回交换，年龄达到阈值（默认 15）的对象晋升到老年代
4. 老年代满了触发 Major GC / Full GC

为什么用复制算法？年轻代中绝大多数对象「朝生夕死」，存活率极低，复制少量存活对象比标记清除高效得多。

垃圾判定：可达性分析

从 GC Roots 出发，沿引用链遍历，不可达的对象就是垃圾。

GC Roots 包括：虚拟机栈中的局部变量、方法区中的静态变量和常量、本地方法栈中的 JNI 引用、活跃线程。

graph TD
    Root1[GC Root: 局部变量] --> A[对象 A]
    Root2[GC Root: 静态变量] --> B[对象 B]
    A --> C[对象 C]
    B --> C
    D[对象 D] --> E[对象 E]
    E --> D

上图中 D 和 E 互相引用但没有 GC Root 到达它们，会被回收。

经典垃圾回收器

Serial GC

单线程回收，适合小型应用和客户端场景。-XX:+UseSerialGC

Parallel GC（吞吐量优先）

Java 8 默认。多线程回收，目标是最大化吞吐量。

-XX:+UseParallelGC
-XX:MaxGCPauseMillis=200

G1 GC（停顿时间优先）

Java 9+ 默认。把堆划分为多个 Region，每次只回收收益最高的 Region。

-XX:+UseG1GC
-XX:MaxGCPauseMillis=200

G1 的回收过程：初始标记（STW）→ 并发标记 → 最终标记（STW）→ 筛选回收（STW）。

G1 的核心优势：可预测的停顿时间。用户指定目标停顿时间，G1 估算能在该时间内回收多少 Region。

ZGC（低延迟）

Java 11 引入，停顿时间 < 1ms（Java 16+），适合超大堆和低延迟场景。

如何选择 GC

GC	适用场景	停顿时间
Serial	单核、小堆（< 100MB）	长
Parallel	批处理、离线计算	中
G1	通用、中等堆（4-32GB）	短可预测
ZGC	大堆、低延迟	极短（< 1ms）

经验法则：堆 < 4GB 用 G1，堆 > 32GB 用 ZGC，只关心吞吐量用 Parallel。

排查内存问题

查看 GC 日志

# Java 9+
java -Xlog:gc*=info:file=gc.log:time,level,tags:filecount=5,filesize=10m -jar app.jar

使用 jstat

jstat -gcutil <pid> 1000 10  # 每秒一次，共 10 次

使用 jmap

jmap -histo <pid> | head -20        # 堆直方图
jmap -dump:format=b,file=heap.hprof <pid>  # 导出堆 dump

用 MAT 或 JProfiler 分析 heap.hprof，查找内存泄漏。

常见内存问题

内存泄漏：静态集合持有对象引用不放。

// 典型泄漏：静态 Map 只 put 不 remove
public class Cache {
    private static final Map<String, Object> CACHE = new HashMap<>();
}

调优建议

-Xms4g -Xmx4g                          # 堆大小固定
-XX:+UseG1GC                            # 使用 G1
-XX:MaxGCPauseMillis=200                # 目标停顿 200ms
-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError        # OOM 时自动 dump
-XX:HeapDumpPath=/tmp/heap.hprof

小结

JVM GC 的核心思路是分代收集：年轻代用复制算法（存活率低），老年代用标记-清除或标记-整理。理解分代模型、可达性分析和常用 GC 日志排查方法，就能解决大部分内存问题。