Java 的垃圾回收機制，包括每種機制的詳細原理、實現細節、適用場景、調優策略以及相關的 JVM 參數。

1. 標記-清除（Mark-and-Sweep）

工作原理

• 標記階段：

從根對象開始，遞歸遍歷所有可達的對象（包括靜態變量、棧幀中的對象、JNI 引用等），并將這些對象標記為“存活”。

使用數據結構（如布爾數組或位圖）來跟蹤對象的標記狀態。

• 清除階段：
• 遍歷堆內存中的對象，回收未被標記的對象。
• 直接將未標記對象的內存空間歸還給堆。

實現細節

• 數據結構：使用位圖來表示對象的存活狀態，以減少空間開銷。
• 內存分配：標記-清除算法通常不需要復雜的內存分配策略，但可能會引入內存碎片。

優缺點

• 優點：

實現簡單，能處理復雜的對象圖。

可以回收大對象，不會產生額外的開銷。

• 缺點：
• 清除階段導致內存碎片，可能造成內存使用效率降低。
• 標記和清除階段可能導致長時間的停頓，影響應用性能。

適用場景

• 適用于小型應用或特定場景下的對象回收，但通常不適合大規模應用。

2. 復制（Copying）

工作原理

• 內存分配：

將堆分為兩個區域：活躍區域和空閑區域。

當活躍區域滿時，將存活對象復制到空閑區域，并清空活躍區域。

實現細節

• 內存布局：使用兩個相同大小的內存區域，使用指針指向當前的活躍區域。
• 對象移動：通過指針記錄存活對象的位置，避免重復復制。

優缺點

• 優點：

避免了內存碎片，存活對象是連續的。

復制過程相對快速，適合頻繁的對象創建和銷毀場景。

• 缺點：
• 需要額外的內存，實際使用兩倍的內存。
• 長生命周期的對象會頻繁復制，造成性能損失。

適用場景

• 適合短生命周期對象的場景，如游戲開發或快速創建對象的應用。

3. 標記-整理（Mark-and-Compact）

工作原理

• 標記階段：與標記-清除相同，遍歷對象圖并標記存活對象。
• 整理階段：移動存活對象到內存的一個端，清除未標記的對象，并更新指向這些對象的引用。

實現細節

• 移動對象：使用指針數組來跟蹤存活對象的位置，以更新引用。
• 內存重分配：在整理階段，不僅清除未標記對象，還通過移動存活對象來壓縮內存。

優缺點

• 優點：

消除了內存碎片，優化內存使用效率。

組織良好的內存布局，提高訪問速度。

• 缺點：
• 移動對象帶來額外的開銷，特別是大量對象時。
• 更新引用可能影響性能。

適用場景

• 適合內存使用效率要求高的應用，如大規模服務器應用。

4. 分代收集（Generational Collection）

概念

• 年輕代（Young Generation）：

包含新創建的對象，分為 Eden 區和兩個 Survivor 區。

由于大多數對象的生命周期短，因此在這里進行頻繁的垃圾回收（Minor GC）。

• 老年代（Old Generation）：
• 存活時間較長的對象。
• 只有在年輕代的垃圾回收無法回收更多空間時，才會進行老年代的垃圾回收（Major GC）。

實現細節

• Eden 區：存放新創建的對象，使用復制算法。
• Survivor 區：存放存活下來的對象，進行多次的復制和晉升。

優缺點

• 優點：

高效利用內存，通過分代機制提高垃圾回收的頻率和效率。

大多數對象在年輕代中會很快被回收，降低了老年代的回收頻率。

• 缺點：
• 對于老年代的回收可能導致長時間的停頓。
• 對于長生命周期的對象，分代的劃分需要合理設計。

適用場景

• 適用于大多數 Java 應用，特別是大型服務器應用。

5. 垃圾回收器

1. Serial GC

• 特點：

僅使用一個線程進行標記、清除和整理。

• 實現細節：
• 適合小堆內存和單核處理器。

2. Parallel GC

• 特點：

多線程的實現，利用多個 CPU 核心。

• 實現細節：
• 可以調節線程數以提高吞吐量，通常用于大堆內存。

3. Concurrent Mark-Sweep (CMS) GC

• 特點：

并發標記和清除，降低停頓時間。

• 實現細節：
• 使用多線程進行標記階段，清除階段也可以并發執行。

4. G1 GC

• 特點：

將堆分為多個區域，按需回收。

• 實現細節：
• 可以預測停頓時間，適用于大內存和低延遲的應用。

5. ZGC

• 特點：

低延遲回收，支持大堆內存。

• 實現細節：
• 使用并行和并發技術，實現幾乎不停止應用。

6. Shenandoah GC

• 特點：

• 高效低延遲，支持較大的堆。

• 實現細節：
• 在回收階段，避免全停頓，通過并行和分區回收對象。

調優垃圾回收器

1. JVM 參數

• 選擇垃圾回收器：

使用 -XX:+UseG1GC，-XX:+UseParallelGC 等來指定垃圾回收器。

• 設置堆內存大小：
• 使用 -Xms 和 -Xmx 來設置初始和最大堆內存大小。

調節年輕代和老年代的比例：

• 使用 -XX:NewRatio 來設置年輕代與老年代的比例。

調節線程數量：

• 使用 -XX:ParallelGCThreads 來設置并行回收的線程數量。

監控和分析工具：

• 使用 JVisualVM、Java Mission Control、JConsole 等工具來監控內存使用和垃圾回收的性能。

總結

Java 的垃圾回收機制是一個復雜而高效的內存管理系統，通過不同的算法和策略，可以最大限度地提高內存利用率，降低內存管理的復雜性。理解和優化垃圾回收器是提升 Java 應用性能的關鍵之一。在不同的應用場景下，選擇合適的垃圾回收機制和調優策略，可以顯著改善應用的響應時間和資源使用效率。