JVM — Garbage Collection

一、如何判断对象可以回收

1、引用计数法（Reference Counting）

引用计数法是最简单的一种内存回收判断方式。其基本原理是：给对象添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器加1；当引用失效时，计数器减1；当引用计数为0时，说明该对象不再被任何变量引用，可以被回收。

缺点：无法处理循环引用，即两个对象互相引用，即使它们不再被程序访问，但计数始终不为0，无法回收。

如下图，即使两个对象没有被使用，但两个对象的引用计数始终为1。

2、可达性分析算法（Reachability Analysis）

可达性分析法，是主流 JVM（如 HotSpot）采用的方式。其基本思想是：通过一系列称为“GC Roots”的对象（肯定不能作为垃圾被回收的对象）作为起点，扫描堆中所有的对象，凡是被 GC Roots 直接或间接引用的对象，都称为可达对象，还在被使用；不可达的对象则视为垃圾，可以回收。

扫描堆中的对象，看是否能够沿着 GC Root 对象为起点的引用链找到该对象，找不到，表示可以回收。

常见的 GC Roots 包括：

"栈静常锁线程活，JNI全局JVM持" 

其中，"栈"指虚拟机栈中的引用对象，"静"指静态变量引用，"常"指常量引用，"锁"指同步锁引用，"线程活"指活跃线程对象，"JNI全局"指JNI全局引用，"JVM保"指JVM内部持有的对象。

(1) 虚拟机栈（JVM Stack）中的局部变量

每个线程都有自己的虚拟机栈，栈帧中存储了方法调用时的局部变量表（如方法参数、临时变量）。这些局部变量直接引用的对象是 GC Root。

public void method() {
    Object obj = new Object(); // obj 是 GC Root
}

(2) 方法区（Method Area）中的静态变量

静态变量（static 修饰的字段）属于类级别，其生命周期与 JVM 相同。静态变量引用的对象是 GC Root。

public class MyClass {
    private static Object staticObj = new Object(); // staticObj 是 GC Root
}

(3) 本地方法栈（Native Method Stack）中的 JNI 引用

通过 JNI（Java Native Interface）调用的本地方法（C/C++ 实现）中引用的对象。本地方法栈中的引用也会被 JVM 识别为 GC Root。

(4) 活跃线程（Active Threads）

正在运行的线程对象（如主线程、用户创建的线程）及其栈中的局部变量。线程本身是 GC Root，且线程栈中的引用对象也是 GC Root。

(5) 方法区中的常量引用

方法区中的 String 常量池或类常量池中引用的对象。例如：字符串字面量（如 "hello"）是 GC Root。

(6) 被 JVM 持有的对象

JVM 内部管理的对象，如：

• Class 对象（类元数据）
• Method、Field 等反射相关的对象
• 一些 JVM 内部使用的特殊对象

(7) 其他系统级引用

例如：系统类加载器（Bootstrap/Extension/Application ClassLoader）加载的类对象。JVM 内部维护的全局缓存或监控对象。

3、四种引用类型（强 软 弱 虚）

(1) 强引用（Strong Reference）

定义：最常见的引用类型，如 Object obj = new Object();。

特点：① 只要对象有强引用存在，垃圾回收器 永远不会回收该对象。② 如果内存不足且无法回收强引用对象，会抛出 OutOfMemoryError。

String str = new String("Hello"); // 强引用

(2) 软引用（Soft Reference）

定义：通过 SoftReference<T> 类实现。

特点：对象仅被软引用关联时，在内存不足时才会被回收。

适用场景：缓存数据（如图片、文件等），内存不足时自动清理。

String str = new String("Hello");
SoftReference<String> softRef = new SoftReference<>(str);
str = null; // 移除强引用
// 当 JVM 内存不足时，softRef.get() 可能返回 null

(3) 弱引用（Weak Reference）

定义：通过 WeakReference<T> 类实现。

特点：对象仅被弱引用关联时，无论内存是否足够，下一次 GC 都会回收该对象。

适用场景：避免内存泄漏（如监听器列表、缓存池）。

String str = new String("Hello");
WeakReference<String> weakRef = new WeakReference<>(str);
str = null;
// 下一次 GC 后，weakRef.get() 会返回 null

(4) 虚引用（Phantom Reference）

定义：通过 PhantomReference<T> 类实现，必须配合 ReferenceQueue 使用。

特点：虚引用无法通过 get() 方法获取对象（始终返回 null）。对象被回收后，虚引用会被放入 ReferenceQueue，用于 跟踪对象被回收的状态。

适用场景：监控对象被回收的时机（如释放本地资源、堆外内存）。

String str = new String("Hello");
ReferenceQueue<String> queue = new ReferenceQueue<>();
PhantomReference<String> phantomRef = new PhantomReference<>(str, queue);
str = null;

// 通过 ReferenceQueue 获取被回收的对象
Reference<? extends String> ref = queue.poll();
if (ref != null) {
    System.out.println("对象已被回收");
}

四种引用类型的对比表

二、垃圾回收算法

1、标记-清除算法（Mark Sweep）

所谓的清除操作，只需要把占用内存的起始地址保存下来，记录为空闲空间，以便复用。

优点：速度快

缺点：产生内存碎片（空间不连续）

2、标记-整理算法（Mark Compact）

 

优点：没有空间碎片

缺点：速度较慢

3、复制算法（Copy）

(1) 标记垃圾

(2) 复制存活对象到To区，清除From区

(3) 交换From和To

三、分代垃圾回收

1、相关VM参数

2、分代垃圾回收过程

为什么要做分代划分呢？

因为 Java 中有的对象需要长时间引用，这种对象就适合放在老年代中。而用完了就可以丢的对象，就放在新生代中。这样就可以根据对象生命周期的不同特点，进行不同的垃圾回收策略。老年代的垃圾回收很久才发生一次，新生代的垃圾回收会频繁一些。

(1) 新生的对象会放到伊甸园区

如果伊甸园区满了，放不下新的对象了，会触发一次 Minor GC （第一次垃圾回收）

Minor GC 会沿着 GC Root 扫描伊甸园区，进行一次垃圾标记操作。然后采用复制算法，将存活的对象复制到 幸存区To 中，并将幸存对象的寿命+1

复制完成后，交换From和To：

(2) Minor GC 后，过了一段时间，伊甸园区又满了

再次触发 Minor GC（第二次垃圾回收）

扫描沿着 GC Root 扫描新生代内存（伊甸园区和From区），进行垃圾标记，将幸存对象复制到To区，幸存对象寿命+1，清除From区，然后交换From和To区。

步骤总结：新生对象都会放在伊甸园区，当伊甸园满了，就会触发 Minor GC，将伊甸园区和From区的幸存对象，复制到To区，幸存对象寿命+1，清除被标记为垃圾的对象，然后交换From区和To区。这种复制-清除（复制幸存对象到To区-清除From区）和交换两个区的操作，使得每次 Minor GC 完成后，From区总是本次GC幸存下来的对象，To区总是空的，为下一次GC待命。

Minor GC 会引发  stop the world（用户线程都要暂停，垃圾回收线程运行，直到垃圾回收结束），因为对象的复制操作，和区域交换操作，对象的地址会发生改变。不过 Minor GC 暂停时间比较短，因为新生代垃圾较多，需要复制的幸存对象并不多。

(3) 幸存区对象晋升到老年代

幸存对象不会永远在幸存区待着，当他们的寿命超过一定的阈值（最大是15次）时，即可晋升到老年代。对象的寿命存在对象头中，是4bit，最大值是15（1111）。

(4) 新生代和老年代几乎全满了，触发 Full GC

一般垃圾回收操作，都会在空间不足时触发

当老年代的空间不足时，会先尝试触发 Minor GC，如果空间还是不够，会触发 Full GC ，进行一次新生代和老年代的全面清理。Full GC 导致的 STW 时间更长。

老师的总结：

四、垃圾回收器

五、垃圾回收器调优